СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА
COMBUSTIBLE GAS ENRICHMENT METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу обогащения горючего газа, предусматривающему секцию введения газа, в которую подается газ из источника, секцию выгрузки газа для выгрузки отходящего газа, секцию собирания газа для собирания газа-продукта, множество адсорбционных башен, каждая из которых заполнена адсорбентом, для селективной адсорбции горючего газа, канал выравнивания давления, соединяющий адсорбционные башни друг с другом, и клапан открывания/закрывания канала выравнивания давления, встроенный в канал выравнивания давления, причем способ содержит:
(1) стадию адсорбции для подачи газа из источника в адсорбционные башни из секции введения газа, чтобы заставить горючий газ, содержащийся в газе из источника, адсорбироваться адсорбентом, и чтобы заставить неадсорбированный газ, неадсорбированный адсорбентом, выгружаться из секции выгрузки газа;
(2) стадию десорбции, чтобы заставить горючий газ, адсорбированный адсорбентом, десорбироваться из адсорбента, и извлечения десорбированного горючего газа наружу через секцию собирания газа;
причем вышеуказанные стадии (1), (2) осуществляются с чередованием; и
(3) стадию выравнивания давления, осуществляемую между парой адсорбционных башен, соединенных каналом выравнивания давления, после стадии адсорбции в одной адсорбционной башне и после стадии десорбции в другой адсорбционной башне с установкой открытого клапана открывания/закрывания канала выравнивания давления в канал выравнивания давления.
Предпосылки создания изобретения
Вообще горючий газ имеет возможность взрыва. Считается, что, когда горючий газ содержится в определенном интервале концентраций, например, в газе из источника, существует возможность его взрыва. Интервал концентраций, имеющий возможность взрыва, различается в зависимости от вида горючего газа. Обычно, однако, считают, что взрывоопасный интервал существует, когда горючий газ содержится приблизительно при от 5 до 20об.% И также считается, что в случае избытка газообразного метана существует возможность его взрыва в небольшом интервале концентраций.
Кроме того, считают, что возможность взрыва горючего газа относится не только к концентрации горючего газа, но также к присутствию газообразного кислорода в определенном интервале концентраций. Указывается, что указанный интервал концентраций существует, когда газообразный кислород содержится при 10 об.% или более.
Поэтому при обращении с газом, содержащим горючий газ, должны приниматься меры предосторожности по отношению к описанным выше интервалам концентрации горючего газа и газообразного кислорода. В частности, в случае газа, содержащего горючий газ или газообразный кислород вблизи взрывоопасного интервала концентраций, важно выдерживать описанный выше интервал концентраций путем корректирования интервала концентраций горючего газа или газообразного кислорода.
Здесь газообразный метан после обогащения имеет относительно высокую концентрацию (примерно 60 об.% концентрацию метана), которая находится снаружи взрывоопасного интервала концентраций. С другой стороны, в случае отходящего газа, полученного извлечением некоторого количества метана из каменноугольного рудничного газа (имеющего концентрацию метана приблизительно 44 об.% и концентрацию газообразного кислорода приблизительно 12 об.%), указанный отходящий газ содержит относительно низкую концентрацию газообразного метана (концентрацию газообразного метана 44 об.% или менее). Кроме того, вышеуказанный отходящий газ содержит также определенную концентрацию газообразного кислорода (концентрацию газообразного кислорода приблизительно 12 об.% или более). Таким образом, в случае указанного отходящего газа как концентрация газообразного метана, так и концентрация газообразного кислорода могут совпадать со своими взрывоопасными интервалами концентраций. Поэтому это является проблематичным для возможности взрыва отходящего газа.
В частности, в том случае, когда обогащение выполняется с подходящим использованием адсорбционной башни с размещением в ней адсорбента для селективной адсорбции горючего газа, обычно на стадии адсорбции газ из источника вводится в секцию введения газа, а остаток газа после адсорбции выгружается через секцию выгрузки газа, которая предусмотрена на противоположной стороне от секции введения газа. Проведение адсорбции на указанной стадии адсорбции осуществляется, принимая во внимание количество концентрации горючего газа в отходящем газе, выгружаемом наружу, в связи с соотношением с описанным выше взрывоопасным интервалом концентраций. Например, в связи с соотношением с количеством адсорбента, находящегося внутри адсорбционной башни, получается прежде периода адсорбции, что ограничивает концентрацию горючего газа, выгружаемого как отходящий газ, ниже взрывоопасного интервала концентраций. Тогда, поскольку адсорбция осуществляется с отношением к данному периоду адсорбции как к верхнему пределу, будут поддерживаться благоприятные условия работы. Здесь внутренняя часть адсорбционной башни после стадии адсорбции находится в состоянии под давлением с газом из источника, подаваемым в нее. Кроме того, поскольку адсорбент адсорбирует, главным образом, горючий газ, в остающемся пространстве внутри адсорбционной башни газы (главным образом, воздух) иные, чем горючий газ, будут присутствовать в качестве примесей.
Кроме того, горючий газ, который был адсорбирован в адсорбционной башне, выводится на стадию десорбции через канал собирания газа. Однако газ, который десорбируется из адсорбента на более ранней стадии на стадии десорбции, содержит иные газы, чем горючий газ, в качестве примесей. Поэтому для того, чтобы получить горючий газ с высокой чистотой, указанный газ не может быть собран непосредственно как газ-продукт. В большей степени, предпочтительно, что указанный газ дополнительно очищается для экстрагирования горючего газа. Этим чистота газа-продукта может быть улучшена, и в то же самое время также может быть улучшена степень собирания горючего газа.
Между тем, что касается теперь изменения давления внутри каждой адсорбционной башни, внутри адсорбционной башни, в которой осуществляется стадия адсорбции, имеется состояние высокого давления. С другой стороны, внутри адсорбционной башни, в которой осуществляется стадия десорбции, имеется состояние чрезвычайно сниженного давления благодаря выполнению выведения горючего газа из нее. Кроме того, когда осуществляется другая стадия адсорбции после выполнения стадии десорбции, давление будет постепенно увеличиваться от описанного выше состояния чрезвычайно сниженного давления с получением в результате состояния, которое обеспечивает адсорбцию горючего газа, таким образом, смещая работу по адсорбированию горючего газа в газ из источника.
Затем, если предусмотрен канал выравнивания давления, соединяющий адсорбционные башни, и в канал выравнивания давления введен клапан открывания/закрывания канала выравнивания давления, когда адсорбционная башня, в которой выполнена стадия адсорбции (указанная адсорбционная башня далее будет называться «первой адсорбционной башней»), находится около состояния инициирования стадии десорбции, газ, десорбированный из адсорбента (данный газ далее будет называться «газом ранней десорбции»), может подаваться в другую адсорбционную башню, которая находится около состояния инициирования стадии адсорбции (данная адсорбционная башня далее будет называться «второй адсорбционной башней»). С этим горючий газ, содержащийся в газе ранней десорбции, может быть подан во вторую адсорбционную башню, чтобы использоваться на последующей стадии адсорбции, осуществляемой в ней. Поэтому в первой адсорбционной башне концентрация горючего газа, который собирается на последующей стадии десорбции, может быть увеличена, тогда как во второй адсорбционной башне горючий газ может собираться из газа ранней адсорбции с увеличением давления, требуемым для смещения на стадию адсорбции (так называемая стадия выравнивания давления) (смотри патентный документ 1).
Документ-прототип
Патентный документ
Патентный документ 1: Японская нерассмотренная опубликованная заявка № 2009-220004
Краткое описание изобретения
Задача, достигаемая изобретением
В данном случае при осуществлении вышеуказанной стадии выравнивания давления газ ранней десорбции, подаваемый из первой адсорбционной башни во вторую адсорбционную башню, течет из первой адсорбционной башни с максимально высоким давлением во вторую адсорбционную башню с максимально низким давлением. По указанной причине на ранней стадии выравнивания давления газ под давлением ранней десорбции будет течь во вторую адсорбционную башню мгновенно с высокой скоростью. Такая стадия выравнивания давления как процесс, введенный в очистку/обогащение горючего газа, не вносит никакой вклад в собирание газа-продукта, т.е. процесс, который снижает производительность. Поэтому требуется, чтобы стадия выравнивания давления осуществлялась с достижением максимального возможного эффекта в короткий период. По указанной причине на стадии выравнивания давления газ ранней десорбции имеет тенденцию транспортироваться в относительно короткий период. Это дает в результате дополнительное увеличение скорости газа ранней десорбции, подаваемого из первой адсорбционной башни во вторую адсорбционную башню.
Таким образом, когда указанный поток газа ранней десорбции поступает во вторую адсорбционную башню, поток вызывает псевдоожижение адсорбента в ней, что приводит, в свою очередь, к разрушению/измельчению адсорбента.
В качестве меры предотвращения вышеуказанного предполагается создать «сопротивление», такое как сужение канала выравнивания давления для того, чтобы ограничить скорость газа ранней десорбции, проходящего через канал выравнивания давления. Это, однако, считается недостатком, т.к. такое снижение скорости потока газа в канале выравнивания давления ведет к соответствующему увеличению периода времени, требуемого для выравнивания давления, что дает, в свою очередь, недостаток - снижение производительности газа-продукта.
Ввиду описанного выше задачей настоящего изобретения является предотвращение увеличения периода времени, требуемого для выравнивания давления, в процессе обогащения горючего газа, и, таким образом, ограничения возникновения разрушения/измельчения адсорбента.
Средство достижения задачи
Конфигурация 1
В соответствии с отличительным признаком настоящего изобретения для достижения вышеуказанной цели предусматривается способ обогащения горючего газа, предусматривающий секцию введения газа, в которую подается газ из источника, секцию выгрузки газа для выгрузки отходящего газа, секцию собирания газа для собирания газа-продукта, множество адсорбционных башен, каждая из которых загружена адсорбентом, для селективной адсорбции горючего газа, канал выравнивания давления, соединяющий адсорбционные башни друг с другом, и клапан открывания/закрывания канала выравнивания давления, встроенный в канал выравнивания давления; причем способ содержит:
(1) стадию адсорбции для подачи газа из источника в адсорбционные башни из секции введения газа, чтобы заставить горючий газ, содержащийся в газе из источника, адсорбироваться адсорбентом и заставить неадсорбированный газ, не адсорбированный адсорбентом, выгружаться из секции выгрузки газа;
(2) стадию десорбции, чтобы заставить горючий газ, адсорбированный адсорбентом, десорбироваться из адсорбента и извлечения десорбированного горючего газа наружу через секцию собирания газа;
причем вышеуказанные стадии (1), (2) осуществляются с чередованием; и
(3) стадию выравнивания давления, осуществляемую между парой адсорбционных башен, соединенных каналом выравнивания давления после стадии адсорбции в одной адсорбционной башне (далее называемой «первой адсорбционной башней») и после стадии десорбции в другой адсорбционной башне (далее называемой «второй адсорбционной башней») с установкой открытого клапана открывания/закрывания канала выравнивания давления в канал выравнивания давления,
где способ дополнительно содержит стадию предварительного выравнивания давления, которая осуществляется во время запуска стадии выравнивания давления во второй адсорбционной башне для подачи газа (называемого далее «буферным газом») во вторую адсорбционную башню из положения, отличающегося от положения соединения канала выравнивания давления со второй адсорбционной башней.
Предпочтительно, канал, иной, чем канал выравнивания давления, предусматривается в положении, противоположном положению соединения канала выравнивания давления со второй адсорбционной башней.
Функция/Эффект 1
Т.е. в вышеуказанной конфигурации стадия выравнивания давления осуществляется между парой адсорбционных башен, соединенных каналом выравнивания давления, после стадии адсорбции в первой адсорбционной башне и после стадии десорбции во второй адсорбционной башне с установкой открытого клапана открывания/закрывания канала выравнивания давления в канал выравнивания давления (т.е. во временной зависимости со стадией выравнивания давления в первой адсорбционной башне стадия предварительного выравнивания давления осуществляется во второй адсорбционной башне на ранней стадии - стадии выравнивания давления в данной второй адсорбционной башне). Соответственно, обогащение горючего газа может быть осуществлено высокоэффективным образом.
Кроме того, во второй адсорбционной башне, если быстрое введение в нее газа ранней десорбции во время запуска стадии выравнивания давления ограничивается, как описано выше, газ ранней десорбции, который поступает в указанную вторую адсорбционную башню, затем будет течь в указанную вторую адсорбционную башню относительно очищенным образом. Поэтому это менее вероятно приведет к псевдоожижению адсорбента, и поэтому нет необходимости поддерживать подачу буферного газа в течение всего хода стадии выравнивания давления. Кроме того, в случае настоящего изобретения при выполнении стадии предварительного выравнивания давления введение буферного газа осуществляется только во время запуска стадии выравнивания давления. Поэтому количество загрузки буферного газа во вторую адсорбционную башню может быть небольшим, и указанная загрузка не ухудшает и не связывает последующую стадию адсорбции.
Ввиду вышеуказанного с выполнением стадии предварительного выравнивания давления для подачи газа во вторую адсорбционную башню из положения, противоположного положению соединения канала выравнивания давления со вторым каналом выравнивания давления, указанный подаваемый газ будет течь во вторую адсорбционную башню по направлению, противоположному направлению газа (далее называемому «газом ранней десорбции»), который поступает во вторую адсорбционную башню на стадии выравнивания давления.
Т.е. на стадии выравнивания давления, когда газ ранней десорбции из первой адсорбционной башни поступает во вторую адсорбционную башню, указанный газ поступает во вторую адсорбционную башню по направлению, противоположному буферному газу. При этом поток газа ранней десорбции и поток буферного газа будут подавлять друг друга, так что скорость газа ранней десорбции, текущего во вторую адсорбционную башню, снижается. Это смягчает вышеописанную ситуацию с газом ранней десорбции, сталкивающимся с адсорбентом с высокой скоростью, таким образом, образуя турбулентное течение и вызывая псевдоожижение адсорбента, приводящее к его возможному разрушению/измельчению.
Поэтому с исключением фактора, ведущего к разрушению/измельчению адсорбента, становится возможным способствовать увеличению срока службы адсорбента и стабилизировать работу системы обогащения горючего газа.
Конфигурация 2
Предпочтительно, канал выравнивания давления соединяется с нижней частью адсорбционной башни, а секция выгрузки газа предусматривается в верхней части адсорбционной башни, и предусматривается секция подачи газа для подачи газа (буферного газа) через секцию выгрузки газа в адсорбционную башню.
Функция/Эффект 2
Т.е., если канал выравнивания давления и секция подачи газа предусмотрены в противоположном положении по отношению друг к другу, соответствующие потоки подавляются друг другом, таким образом, смягчая явление псевдоожижения и последующего разрушения и измельчения адсорбента. Помимо этого, если канал выравнивания давления и канал подачи газа предусмотрены с распределением на верхней и нижней сторонах адсорбционной башни, такое размещение служит ограничению возникновения прямого столкновения между газом ранней десорбции и буферным газом, возникновение которого ведет, в свою очередь, к образованию турбулентного течения внутри адсорбционной башни. Соответственно, фактор, приводящий к псевдоожижению, может быть исключен более эффективно.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 представлена схема, показывающая систему обогащения горючего газа.
На фигуре 2 представлена диаграмма конфигурации, показывающая соответствующие стадии (а) - (d) способа обогащения горючего газа.
На фигуре 3 представлена диаграмма конфигурации, показывающая соответствующие стадии (е) - (h) способа обогащения горючего газа.
На фигуре 4 представлена диаграмма, показывающая временной цикл способа обогащения горючего газа.
Варианты осуществления изобретения
Далее описывается система обогащения горючего газа (далее обозначаемая для краткости как «PSA-система») для использования в способе изобретения обогащения горючего газа. В последующем рассматриваются некоторые предпочтительные варианты. Понятно, однако, что указанные соответствующие варианты рассматриваются только с целью иллюстрации настоящего изобретения, и могут быть сделаны различные изменения, пока такие изменения не отступают от сущности настоящего изобретения, и настоящее изобретение не ограничивается последующим описанием.
PSA-система, относящаяся к настоящему изобретению, как показано на фигуре 1, содержит первую и вторую адсорбционные башни U1, U2, загруженные адсорбентом а1, а2, соответственно. Система также содержит контроллер С для контроля клапанов V1-V5 открытия-закрытия и т.д., введенных в газовые каналы L1-L5, соединенные с соответствующими адсорбционными башнями U1, U2. Каждая адсорбционная башня U1, U2 содержит в качестве газовых каналов канал L1 подачи газа от источника для подачи количества газа от источника в соответствующую адсорбционную башню U1, U2 и содержит также канал L2 выгрузки отходящего газа для выгрузки оставшегося газа (отходящего газа) после проведения адсорбции горючего газа адсорбентом а1, а2 с подачей газа через канал L1 подачи газа от источника. Кроме того, канал L3 собирания газа-продукта предусмотрен для собирания количества газа-продукта в качестве обогащенного газа, собранного из первой и второй адсорбционных башен U1, U2 в емкости Т3 продукта. Кроме того, между первой и второй адсорбционными башнями U1, U2 предусмотрен канал L4 выравнивания давления для осуществления стадии выравнивания давления, описанной далее. Указанный выше канал L2 выгрузки отходящего газа объединен и соединен с каналом L5 подачи количества воздуха в качестве «буферного газа» в первую и вторую адсорбционные башни U1, U2.
При задействовании вакуумного насоса Р3, установленного на канале L3 собирания газа, горючий газ в качестве газа-продукта, адсорбированного адсорбентами а1, а2, может быть собран из первой и второй адсорбционных башен U1, U2 в емкости Т3 продукта в сжатом состоянии (повышенное давление внутри емкости Т3 продукта). И при подаче из указанной емкости Т3 продукта через канал L5 подачи воздуха к первой и второй адсорбционным башням U1, U2 подаваемый газ-продукт имеет увеличенную концентрацию горючего газа.
Газ из источника
Газом из источника, используемым в настоящем изобретении, является газ, содержащий горючий газ и воздух. Вместо этого газом из источника может быть каменноугольный рудничный газ, содержащий газообразный метан и воздух. Кроме того, горючий газ специально не ограничивается, если им является газ, имеющий свойство горючести, но им может быть газообразный метан, содержащийся в каменноугольном рудничном газе. В частности, термин «каменноугольный рудничный газ» относится к газу, образованному в угольной шахте. Хотя он различается в зависимости от условий, каменноугольный рудничный газ содержит приблизительно 20-40 об.% газообразного метана и приблизительно 60-80 об.% воздуха (содержащего, главным образом, газообразный азот и газообразный кислород).
В качестве газа из источника каменноугольный рудничный газ, собранный из угольной шахты, может транспортироваться в существующих условиях давления в соответствующие адсорбционные башни U1, U2.
Адсорбционные башни
Первая и вторая адсорбционные башни U1, U2 загружаются адсорбентами а1, а2 внутри ее соответствующих цилиндрических сосудов. Первая и вторая адсорбционные башни U1, U2 каждая имеет секцию 1 введения газа, секцию 2 выгрузки газа, секцию 3 собирания газа, стадию 4 выравнивания давления и газовые каналы L1-L5 и т.д. для введения/выгрузки газа, соединенные с башнями.
Более конкретно, с секцией 1 введения газа соединен канал L1 подачи газа из источника. С секцией 2 выгрузки газа соединены канал L2 выгрузки отходящего газа и канал L5 подачи воздуха. С секцией 3 собирания газа соединен канал L3 собирания газа-продукта. И с секцией 4 выравнивания давления соединен канал L4 выравнивания давления.
Кроме того, в канал L1 подачи газа из источника вводят или устанавливают насос Р1 подачи газа из источника и клапана V1, V10, V11, V12 открывания/закрывания. В канал L2 выгрузки отходящего газа вводят или устанавливают клапаны V2, V20, V21, V22 открывания/закрывания и насос Р2 сброса давления для хранения количества отходящего газа в емкости Т2 отходящего газа. В канал L3 собирания газа-продукта вводят или устанавливают клапаны V31, V32 открывания/закрывания и вакуумный насос Р3. Кроме того, в канал L4 выравнивания давления вводят клапан V4 открывания/закрывания канала выравнивания давления. И в канал L5 подачи воздуха вводят или устанавливают клапан V5 открывания/закрывания и насос Р5 подачи буферного газа.
Адсорбент
Адсорбенты а1, а2 специально не ограничиваются, если они способны селективно адсорбировать горючий газ. Однако в качестве адсорбентов а1, а2 преимущественно используют адсорбент а1, а2 газообразного метана, который, по меньшей мере, выбран из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля, металлоорганического комплекса (фумарат меди, терефталат меди, циклогександикарбоксилат меди и т.д.), имеющего средний диаметр пор в интервале 0,45-1,5 нм, как определено МР-методом, и количество адсорбции метана 20 Нмл/г или выше при атмосферном давлении и 298 K. В данном случае средний диаметр пор находится в интервале, предпочтительно от 0,45 до 1,5 нм, более предпочтительно от 0,5 до 0,95 нм. Кроме того, количество адсорбции метана составляет 25 Нмл/г или выше. Например, такой активированный уголь, как указано выше, может быть получен следующим образом. Количество скорлупы кокосового ореха или угля из скорлупы кокосового ореха карбонизуется полностью при 600°C в газообразном азоте с получением в результате количества карбида. Он затем измельчается в частицы, имеющие диаметр в интервале от 1 до 3 мм. Полученный материал используется в качестве карбонизующегося материала. Затем с использованием проточного активационного раствора периодического действия карбонизующийся материал активируется при 860°C в атмосфере, содержащей от 10 до 15 об.% водяного пара, от 15 до 20 об.% диоксида углерода и остальное до 100 об.% азота.
При описанном выше использовании адсорбентов а1, а2 газообразного метана, способных селективно адсорбировать газообразный метан при атмосферном давления и 298 K, указанные адсорбенты а1, а2 газообразного метана могут достаточно адсорбировать газообразный метан даже при атмосферном давлении и 298 K.
А именно, если количество адсорбции метана при атмосферном давления и 298 K составляет менее 20 Нмл/г, характеристика адсорбции газообразного метана при низких давлениях (в частности, давлении вблизи атмосферного) будет ухудшаться, так что концентрация газообразного метана в газообразном метане после обогащения будет ниже, а также для поддержания адсорбирующей способности станет необходимо увеличить количество адсорбента а1, а2 газообразного метана, что ведет к укрупнению системы. В данном случае, хотя верхний предел вышеуказанного количества адсорбции газообразного метана специально не ограничивается, количество адсорбции газообразного метана доступным в настоящее время адсорбентом адсорбции а1, а2 составляет около 40 Нмл/г или менее.
Кроме того, если средний диаметр пор, как определено МР-методом, является меньше 0,45 нм, это приводит к увеличению количества адсорбции газообразного кислорода и газообразного азота. Как результат имеет место снижение концентрации газообразного метана в газообразном метане после обогащения или снижение скорости адсорбции, т.к. средний диаметр пор приближается к диаметру молекулы газообразного метана, так что результатом может быть ухудшение способности адсорбировать газообразный метан или даже полная неспособность к адсорбции. С другой стороны, если средний диаметр пор, как определено МР-методом, является больше 1,5 нм, это приводит к снижению способности адсорбировать газообразный метан при низких давлениях (в частности, при давлении, близком к атмосферному), так что концентрация газообразного метана в газообразном метане после обогащения будет ниже, а также для поддержания адсорбирующей способности станет необходимо увеличить количество адсорбента а1, а2 газообразного метана, что ведет к укрупнению системы.
Поэтому предпочтительно использовать адсорбент а1, а2 газообразного метана, который, по меньшей мере, выбран из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля, металлоорганического комплекса, имеющий средний диаметр пор в интервале 0,45-1,5 нм, как определено МР-методом, и количество адсорбции метана 20 Нмл/г или выше при атмосферном давлении и 298 K.
Кроме того, адсорбент а1, а2 газообразного метана имеет объем пор с НК определенным средним диаметром пор 1,0 нм или менее 50% или более, более предпочтительно, 70% или более, еще более предпочтительно, 80% или более. В данном случае, т.к. адсорбент имеет средний диаметр пор 1,0 нм или менее, способных селективно адсорбировать газообразный метан, которые занимают 50% или более общего объема пор, можно увеличить количество адсорбции газообразного метана при давлении ниже атмосферного (примерно 0,1 МПа), так что газообразный метан не может достаточно адсорбироваться даже при таком давлении ниже атмосферного. В частности, на практике объем пор со средним диаметром пор более 0,4 нм, который является пределом определения, и менее 1,0 нм должен быть 60% или более общего объема пор. Кроме того, более предпочтительно, адсорбент а1, а2 газообразного метана должен иметь объем пор со средним диаметром более 0,45 нм и менее 1,0 нм 50% или более.
С другой стороны, адсорбент а1, а2 газообразного метана должен иметь такое количество адсорбции азота при 77 K, что его количество адсорбции азота при относительном давление 0,013, соответствующем НК определенному среднему диаметру пор 1,0 нм, составляет 50% или более, предпочтительно 70% или более, более предпочтительно 80% или более. В данном случае количество адсорбции при относительном давлении 0,99 представляет общий объем пор, а количество адсорбции при относительном давлении 0,013 представляет объем пор 1,0 нм или менее. Отношение каждого значения выше показывает отношение пор 1,0 нм или менее высокое, подобно описанному выше случаю. Как результат, в случае использования газообразной смеси газообразного метана и воздуха в качестве газа из источника обогащение газообразного метана при давлении, близком к атмосферному, может быть выполнено легко и эффективно.
Способ обогащения горючего газа
Далее способ обогащения горючего газа, осуществляемый в соответствующей адсорбционной башне U1, U2, будет описан со ссылкой на фигуры 2-3. В частности, в последующем первая адсорбционная башня U1 описывается в качестве примера адсорбционных башен U1, U2. И описание проводится с допущением используемых газовых каналов L1-L5, клапанов V1-V5 открывания/закрывания и подобных операций, осуществляемых также во второй адсорбционной башне U2. Между тем на чертежах открытые клапаны V1-V5 и каналы L1-L5 прохождения газа в условиях прохождения газа показаны жирными и выделенными линиями, тогда как закрытые клапаны V1-V5 и клапаны, не относящиеся к конкретной стадии, и газовые каналы L1-L5 в условиях прохождения газа показаны светлыми и тонкими линиями.
Стадия адсорбции
На данной стадии адсорбции, как показано на фигуре 2(а), количество газа из источника вводится в первую адсорбционную башню U1 так, что горючий газ в ней адсорбируется адсорбентом а1, и также оставшийся газ выгружается наружу. В ходе этого клапаны V1, V11 открывания/закрывания в канале L1 подачи газа из источника и клапаны V2, V21 открывания/закрывания в канале L2 выгрузки отходящего газа устанавливаются открытыми, тогда как клапан V10 открывания/закрывания в канале L1 подачи газа из источника, клапан V20 открывания/закрывания в канале L2 подачи отходящего газа, клапаны V31 открывания/закрывания в канале L3 собирания газа-продукта и клапаны V4 открывания/закрывания в канале L4 выравнивания давления являются закрытыми.
Как указано выше, внутри первой адсорбционной башни U1 горючий газ может адсорбироваться адсорбентом а1, а оставшийся примесный газ в качестве отходящего газа может быть выгружен наружу. Данная стадия адсорбции осуществляется в течение 120 с.
В данном случае в ходе вышеуказанного стадия десорбции осуществляется во второй адсорбционной башне U2.
Стадия выравнивания давления
Внутри первой адсорбционной башни U1, включенной в настоящий момент в процесс адсорбции, горючий газ адсорбируется адсорбентом а1, а примесный газ с увеличенной концентрацией присутствует в остальном пространстве в ней. Если стадия десорбции осуществляется в указанных условиях, примесный газ будет смешиваться с газом-продуктом, а также примесный газ, который был ненамеренно адсорбирован адсорбентом а1, будет иметь тенденцию десорбироваться из него с преимуществом над газом-продуктом. Поэтому примесный газ, содержащийся в газе, который десорбируется из адсорбента а1 на ранней стадии - стадии десорбции, будет ненамеренно смешиваться с газом-продуктом.
Поэтому на стадии выравнивания давления, как показано на фигурах 2(b), 2(c), устанавливается сообщение между первой и второй адсорбционными башнями U1, U2, с тем, чтобы обеспечить сообщение газов между адсорбционными башнями U1, U2 и осуществить выравнивание давления между ними. А именно, стадия выравнивания давления может быть выполнена при открывании клапана V4 выравнивания давления в канале L4 выравнивания давления и закрывании всех других клапанов V11, V21 и V31.
Ввиду вышеуказанного внутри первой адсорбционной башни U1 почти все количество примесного газа, адсорбированного адсорбентом а1, будет десорбироваться и выгружаться вместе с количеством примесного газа, присутствующего в оставшемся пространстве как газ ранней десорбции, во вторую адсорбционную башню U2. Кроме того, внутреннее давление первой адсорбционной башни U1 будет снижаться в некоторой степени, чтобы быть подходящим для стадии десорбции. Данная стадия выравнивания давления осуществляется в течение 20 с.
В данном случае в ходе вышеуказанного во второй адсорбционной башне U2 стадия предварительного выравнивания давления и стадия главного выравнивания давления будут осуществляться как стадия выравнивания давления. При обращении более конкретно к стадии выравнивания давления во второй адсорбционной башне U2, как показано на фигуре 2(b), перед стадией главного выравнивания давления осуществляется стадия предварительного выравнивания давления для осуществления выравнивания давления при смешении количества воздуха в качестве буферного газа из канала L2 выгрузки газа. Затем введение буферного газа прекращается и осуществляется стадия главного выравнивания давления (смотри фигуру 2(с)).
Стадия десорбции
На данной стадии адсорбции, как показано на фигуре 2(d) и фигуре 3(е), из адсорбента а1, помещенного в адсорбционной башне U1, адсорбированный горючий газ экстрагируется вакуумом и собирается через канал L3 собирания газа. В ходе этого задействуется вакуумный насос Р3, установленный в канале L3 собирания газа-продукта, и только клапан V31 открывания/закрывания в канале L3 собирания газа-продукта открывается, а все другие клапаны V11, V21, V4 открывания/закрывания являются закрытыми. С этим стадия десорбции становится возможной. С такой операцией вакуумной экстракции, описанной выше, метан, адсорбированный в адсорбенте а1, может быть собран в емкости Т3 газа-продукта. Указанная стадия десорбции осуществляется в течение 140 с.
В данном случае ввиду вышеуказанного внутри второй адсорбционной башни U2 стадия увеличения давления (фигура 2(d)) и стадия адсорбции (фигура 3(е)) осуществляются одна за другой.
Стадия предварительного выравнивания давления
Внутри первой адсорбционной башни U1, в которой только что прошла стадия десорбции, существуют условия высокого разрежения. Отсюда необходимо восстановить в ней условия давления, подходящие для последующего осуществления стадии адсорбции. С этой целью осуществляется выравнивание давления путем установления сообщения между первой и второй адсорбционными башнями U1, U2 для обеспечения сообщения газов между указанными адсорбционными башнями U1, U2. Ввиду этого газовая смесь внутри второй адсорбционной башни U2, состоящая из примесного газа и горючего газа, вынуждена течь в первую адсорбционную башню U1, и осуществляются повторное собирание горючего газа из второй адсорбционной башни U2 и операция по увеличению давления в первой адсорбционной башне U1.
Однако существует значительное различие между внутренним давлением первой адсорбционной башни U1 сразу после выполнения стадии десорбции и внутренним давлением второй адсорбционной башни U2 сразу после выполнения стадии адсорбции. Отсюда, если стадия выравнивания давления осуществляется сразу, это дает в результате высокую скорость введения газа ранней десорбции в первую адсорбционную башню U1. Тогда благодаря скорости и возмущению газового потока может иметь место псевдоожижение адсорбента а1, что ведет, в свою очередь, к разрушению и измельчению адсорбента. По этой причине перед стадией выравнивания давления осуществляется стадия предварительного выравнивания давления во время запуска стадии выравнивания давления.
На данной стадии предварительного выравнивания давления, как показано на фигуре 3(f), газ ранней десорбции из второй адсорбционной башни U2 получается из канала выравнивания давления, и в то же самое время воздух как буферный газ вводится при атмосферном давлении через секцию 2 выгрузки газа. Более конкретно, клапаны V20, V21 открывания/закрывания секции 2 выгрузки газа, клапан V2 открывания/закрывания канала L2 выгрузки газа, клапан V31 открывания/закрывания канала L3 собирания газа-продукта являются закрытыми, и воздух подается насосом Р5 подачи буферного газа через канал L5 подачи воздуха, и также клапан V4 открывания/закрывания канала L4 выравнивания давления является открытым для получения газа ранней десорбции из второй адсорбционной башни U2. Таким образом, осуществляется выравнивание давления.
Ввиду вышеуказанного с подачей газа ранней десорбции через канал выравнивания давления в первую адсорбционную башню U1 и подачей буферного газа из секции 2 выгрузки газа, разность давления в первой адсорбционной башне U1 может стать 15 кПа или менее, которая в ином случае может быть 40 кПа в случае неподачи буферного газа. И было визуально подтверждено, что псевдоожижение в адсорбенте, загруженном в первую адсорбционную башню U1, не имеет место.
В данном случае во второй адсорбционной башне U2 стадия выравнивания давления осуществляется параллельно со стадией предварительного выравнивания давления.
Стадия главного выравнивания давления
С помощью стадии предварительного выравнивания давления газ ранней десорбции, текущий в первую адсорбционную башню U1, будет очищаться. Поэтому, даже когда введение буферного газа прекращается, могут поддерживаться условия ограничения псевдоожижения адсорбента. Поэтому первая адсорбционная башня U1 после выполнения вышеуказанной стадии предварительного выравнивания давления будет смещаться к стадии главного выравнивания давления.
На указанной стадии выравнивания давления, как показано на фигуре 3(g), устанавливается сообщение между первой и второй адсорбционными башнями U1, U2 с обеспечением в результате сообщения газа только между указанными адсорбционными башнями U1, U2, таким образом, осуществляя выравнивание давления между ними. Более конкретно, стадия главного выравнивания давления становится возможной при открывании клапана V4 открывания/ закрывания канала L4 выравнивания давления и закрывании всех других клапанов V11, V21, V31 открывания/закрывания. Кроме того, в ходе вышеуказанного стадия выравнивания давления осуществляется также во второй адсорбционной башне U2.
В данном случае стадия предварительного выравнивания давления и стадия главного выравнивания давления в первой адсорбционной башне U1 осуществляются в течение примерно 2 с и примерно 18 с, соответственно, тогда как стадия предварительного выравнивания давления и стадия главного выравнивания давления во второй адсорбционной башне U2 осуществляются обе в течение примерно 20 с.
Стадия увеличения давления
Когда следующая стадия адсорбции осуществляется в первой адсорбционной башне U1 после выполнения в ней стадии десорбции, давление, при котором адсорбент может эффективно начинать адсорбцию горючего газа, находится около атмосферного давления. Однако с вышеописанной стадией выравнивания давления, осуществляемой только в течение периода времени, пока концентрация горючего газа в газе ранней десорбции не увеличится достаточно, достаточное увеличение давления не может ожидаться. Тогда отдельно от увеличения давления на стадии выравнивания давления стадия увеличения давления осуществляется для увеличения давления подаваемого газа в первую адсорбционную башню U1.
На указанной стадии увеличения давления, как показано на фигуре 3(h), количество воздуха подается под давлением из секции 5 подачи давления в первую адсорбционную башню U1 с тем, чтобы увеличить внутреннее давление первой адсорбционной башни U1 до давления, близкого к атмосферному. Более конкретно, внутреннее давление первой адсорбционной башни U1 достигается с открыванием клапанов V21, V20, V5 открывания/закрывания и закрыванием других клапанов V11, V31, V4 открывания/ закрывания. Указанная стадия увеличения давления осуществляется в течение 20 с.
В первой адсорбционной башне U1 после выполнения стадии увеличения давления снова осуществляется стадия адсорбции и осуществляется временной цикл, соответствующие стадии которого показаны на фигуре 4. Т.е. повторно осуществляется 320 с временной цикл, который состоит из 120 с стадии адсорбции, 20 с стадии увеличения давления, 140 с стадии десорбции и 2 с стадии предварительного выравнивания давления и 18 с стадии главного выравнивания давления, объединенных вместе как стадия выравнивания давления и 20 с стадии увеличения давления.
Другие варианты
В описанном выше варианте временные циклы осуществляются с чередованием в двух адсорбционных башнях. Вместо этого временные циклы могут осуществляться в большем числе башен с чередованием или в одной после другой. Кроме того, в вышеописанном стадия увеличения давления осуществляется как предварительная стадия перед стадией адсорбции. Однако это не является существенным для настоящего изобретения. Настоящее изобретение может быть применено в любой системе, в которой стадия выравнивания давления осуществляется в ходе чередующихся выполнений стадии адсорбции и стадии десорбции.
Кроме того, если газ-продукт используется в качестве газа, используемого на стадии предварительного выравнивания давления и стадии увеличения давления, это вносит вклад преимущественно в улучшение чистоты продукта. Тогда как, если используется воздух, это вносит вклад в улучшение выхода продукта. Кроме того, альтернативно, также можно использовать отходящий газ, хранившийся в емкости Т2 отходящего газа, газ-полупродукт (полуготовый) или газ из источника. В частности, в том случае, когда газ подается из емкости Т3 продукта или емкости Т2 отходящего газа, получается дополнительное преимущество подачи газа, делающей возможным эффективное использование внутреннего давления емкости Т2 или емкости Т3, что, в свою очередь, вносит вклад в экономию энергопотребления насоса Р2.
Применимость в промышленности
Согласно настоящему изобретению становится возможным создать систему обогащения горючего газа, которая может работать с высокой эффективностью с эффективным ограничением разрушения/измельчения адсорбента.
Перечень ссылочных обозначений/номеров
U1 - первая адсорбционная башня
U2 - вторая адсорбционная башня
а1, а2 - адсорбент метана
L1 - канал подачи газа из источника
L2 - канал выгрузки отходящего газа
L3 - канал собирания газа-продукта
L4 - канал выравнивания давления
V4 - клапан открывания/закрывания канала выравнивания давления
L5 - канал подачи воздуха
Т3 - емкость продукта
Р3 - вакуумный насос