Установка для получения чистого кислорода

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для получения чистого кислорода для производственных, медицинских и других нужд.
Известна установка для получения чистого кислорода, включающая корпус, представляющий собой аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход и выход, модуль, помещенный во внутреннюю часть аппарата и содержащий пакет  керамических планарных мембран, распределитель воздушного потока, нагреватель, двойные спиральные теплообменники и теплоизоляционные гильзы; при этом керамические мембраны установлены последовательно и выполнены шестислойными, где плотные слои чередуются с пористыми композиционными слоями (заявка CN 109626333; МПК B01D 53/32, C01B 13/02; 2019 год).
Недостатком известной установки является сложность ее конструкции, во-первых, за счет использования многослойных планарных мембран, что значительно уменьшает способность к термоциклированию, во-вторых, за счет необходимости использования оборудования для создания вакуума.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известное устройство для получения чистого кислорода, представляющее собой реактор, в котором последовательно объединены опорные пластины, пружины, подвижные трубные пластины, трубчатые мембраны и неподвижные трубные пластины через четыре направляющие и крепежное устройство, и который размещен в трубчатой электрической печи. Трубчатые керамические мембраны расположены в установочных отверстиях в неподвижной трубной плите и подвижной трубной плите, которые расположены на двух концах и герметизированы с помощью высокотемпературного герметика. Герметичная часть расположена вне зоны нагрева нагревательной печи. Подвижная трубная пластина является компонентом, способным перемещаться вдоль направляющих (Патент CN 102580478; МПК B01D 53/22, B01D 71/02, B01J 12/00; 2014 год).
Недостатками известного устройства являются, во-первых, сложность конструкции, и в частности необходимость использования оборудования для создания вакуума, во-вторых, герметизация мембран в холодной зоне, что значительно уменьшает рабочую зону мембраны.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию установки для получения чистого кислорода, упростив ее конструкцию с сохранением высокого выхода чистого кислорода.
(1-x)
(x)
(1-y)
(y)
(3–δ)
0.5
0.5
(0.8-x)
(x)
0.2
(3–δ)
(2–x)
(x)
(3–δ)
2
(6–δ)
2
4
Поставленная задача решена в конструкции установки для получения чистого кислорода, содержащей корпус, снабженный входным и выходным отверстиями, по крайней мере, один модуль, содержащий, по крайней мере, две трубчатые мембраны, выполненные из керамического материала со структурой перовскита, выходы которых соединены  коллектором, в которой внутреннее пространство модуля содержит парораспределитель, связанный посредством трубопровода с парогенератором и имеющий форсунки, соединенные с входом трубчатых мембран, выполненных из материала состава SrACoMeO, где A – щелочно-земельный металл, 0<x<1, Me - d-металл, 0<y<1 или BaSrCoAlFeO, где 0<x<0.15 или LnBaCoMeO, где Ln – редкоземельный элемент, Me - d-металл или Al, 0<x<1 или композит LnBaCoO/BaAlO, а выход каждой мембраны  соединен посредством форсунки с коллектором  и герметизирован с помощью высокотемпературного клея, при этом коллектор связан посредством трубопровода с емкостью-охладителем, имеющей два выходных отверстия, одно из которых расположено на уровне ½ высоты емкости-охладителя, а другое – на крышке, которая герметично закреплена с помощью болтов к боковым стенкам емкости-охладителя, а корпус снабжен нагревателем, выполненным, например, в виде спирали и закрепленным на внутренней части боковой поверхности корпуса.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна установка для получения чистого кислорода предлагаемой конструкции с использованием парокислородной смеси во внутреннем пространстве трубчатых керамических мембран.
(1-x)
(x)
(1-y)
(y)
(3–δ)
0.5
0.5
(0.8-x)
(x)
0.2
(3–δ)
(2–x)
(x)
(3–δ)
2
(6–δ)
2
4
Схематическое изображение предлагаемой установки представлено на фиг. 1. Установка состоит из корпуса (1), имеющего входное (2)  и выходное (3) отверстия, во внутреннем пространстве корпуса (1) установлен, по крайней мере, один модуль (4), содержащий, по крайней мере, две  трубчатые керамические мембраны (5), параллельно установленных на форсунках парораспределителя (6). Кроме того, модуль (4) снабжен опорой (7), которая необходима в случае ремонтных работ, например, для переустановки трубчатых мембран. Длина каждой мембраны составляет не менее 5 см. Мембраны выполнены из материала состава SrACoMeO, где A – щелочно-земельный металл, 0<x<1, Me - d-металл, 0<y<1 или BaSrCoAlFeO, где 0<x<0.15 или LnBaCoMeO, где Ln – редкоземельный элемент, Me - d-металл или Al, 0<x<1 или композит LnBaCoO/BaAlO. Состав материала мембран обусловлен не только высокой проводимостью по кислороду, но и устойчивостью при воздействии высоких температур. Входное отверстие каждой мембраны (5) закреплено на форсунке  парораспределителя (6) с помощью высокотемпературного клея. Выходное отверстие каждой мембраны (5) соединено посредством форсунки с коллектором (8) и герметизировано с помощью высокотемпературного клея. Все элементы находятся в горячей зоне установки, температура которой регулируется с помощью нагревателя (9), расположенного между внутренней стенкой корпуса (1) и внешней стенкой модуля (4). Парораспределитель (6) с помощью трубопровода (10) соединен с парогенератором (11), а внешнее пространство  модуля (4) соединено с воздушным компрессором (12) с помощью газовых коммуникаций (13). Коллектор (8) соединен с трубопроводом (14), выход из которого располагается вблизи донной части емкости-охладителя (15), который оснащен  трубкой (16), расположенной на уровне ½ высоты емкости-охладителя, и крышкой, герметично закрепленной с помощью болтов и уплотнителей. Крышка охладителя так же включает трубчатый штуцер (17) для сбора газообразного продукта.
Предлагаемая установка по получению чистого кислорода работает следующим образом.
В трубопровод (10) подводят пар из парогенератора (11), который поступая в парораспределитель (6), через форсунки  равномерно заполняет внутреннее пространство керамических мембран (5). По коммуникациям (13) во внешнее пространство модуля (4) подают воздух, являющийся источником кислорода. Таким образом, внешняя сторона каждой керамической мембраны находится в среде воздуха, а внутреннее пространство трубки наполняется  паром. Такое состояние характеризуется градиентом парциального давления кислорода, который инициирует процесс диффузии ионов кислорода по структуре керамической мембраны в направлении от внешней части трубки к внутренней с последующим переходом кислорода в газообразное состояние. На выходе из трубчатой мембраны генерируется газообразная смесь из пара и кислорода, которая направляется в коллектор (8) и далее, по трубопроводу (14) поступает из горячей зоны в охладитель (15), где пар конденсируется в жидкое состояние, а чистый кислород через штуцер (17) поступает в газосборник.  Избыток конденсированной воды выводится через трубку (16). Отработанный воздух через выходное отверстие (3) выходит наружу.
Таким образом, авторами предлагается установка для получения чистого кислорода, конструкционные особенности которой обеспечивают наряду с непрерывным разделением потока воздуха, используемого в качестве источника кислорода, использование водяного пара, используемого в качестве среды с пониженным содержанием кислорода. Такое сочетание использования парокислородной смеси позволяет добиться необходимого градиента парциального давления кислорода, инициирующего процесс диффузии, что позволяет эффективно выделять чистый кислород из продуктов работы установки. При этом использование емкости-охладителя способствует эффективности выделения газообразного кислорода.