ЭЖЕКТОРНОЕ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Полезная модель относится к мембранно-адсорбционным устройствам с использованием газового эжектора для разделения газовых смесей и может быть использована для получения обогащенных компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях, в частности при производстве кислорода из атмосферного воздуха в различных областях.
Разделение газовых смесей производится различными физико-химическими методами, включая мембранные и адсорбционные. Адсорбционный метод разделения воздуха опирается на принцип селективного поглощения компонентов газовой смеси. Поглощение осуществляется специальными молекулярными ситами в условиях короткоцикловой адсорбции. В основе процесса лежит зависимость поглощения газа адсорбентом от давления: способность адсорбента к поглощению газа прямо пропорциональна давлению. Таким образом, адсорбция идет при повышенном давлении, а процесс десорбции осуществляется путем сброса давления. Обычно циклы сорбции и десорбции определенных газовых компонентов (например, при обогащении кислорода из воздуха - сорбция азота) чередуются, по меньшей мере, в двух параллельных адсорбционных колоннах на слоях адсорбентов.
Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе избирательной проницаемости мембран. Принцип действия мембранных газоразделительных установок заключается в различной скорости проникания газов через полимерную мембрану под действием перепада давления на мембране.
В последнее время находят применение комбинированные установки, в которых используются и адсорбционные колонны, и мембранные блоки, что обеспечивает повышение энергоэффективности при заданных значениях обогащения конечного продукта газовой смеси. Так, из уровня техники известна адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте ЕПВ №266884. Известная установка содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и дополнительный мембранный блок, в который подают поток газа, образующийся на стадиях сброса давления и продувки адсорберов. Несмотря на все преимущества установок такого типа, они обладают существенным недостатком - необходимо использовать компрессор на каждой ступени разделения, что априори делает процесс экономически не выгодным.
Существуют установки и с одним компрессором. Так, из уровня техники известна мембранно-адсорбционная установка, описанная в патенте RU 95547. Установка, состоящая из комбинации мембранного и адсорбционного разделительных блоков, отличается тем, что она оснащена дополнительным мембранным блоком, установленным на первой степени разделения, вход которого соединен с патрубком отвода продукта разделения сорбционного блока. В установках такого типа рециркуляционный поток сжимается вместе с потоком питания, что также приводит к увеличению энергетических затрат.
Из уровня техники известна также адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте РФ №4223461 и являющаяся наиболее близким аналогом заявленной полезной модели. Известная установка также содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, и мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и обеспечивающий дополнительное обогащение конечного продукта. В этой установке также используется только один компрессор. Отличительной особенностью предложенной схемы является то, что остаточным потоком осуществляют продувку адсорбера, находящейся при пониженном давлении, что является малоэффективным способом повышения степени извлечения конечного продукта.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении степени извлечения конечного продукта в мембранно-сорбционном устройстве при заданной величине обогащения.
Поскольку степень извлечения конечного продукта определяется как отношение количества продукта к исходному потоку питания устройства, критерием повышения степени извлечения при заданной величине обогащения продукта является так называемый относительный отбор, являющийся отношением потока продукта к потоку на входе в компрессор.
Указанный технический результат достигается тем, что эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, содержащее компрессор, по меньшей мере два адсорбера, заполненных адсорбентом, имеющие входные патрубки, которые через первый клапан для переключения потока газа между адсорберами подключены к выходу эжекционного смесителя, который подключен к выходу компрессора, и выходные патрубки адсорберов, которые снабжены клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, патрубок которого для отвода проникшей через мембрану фракции разделяемой газовой смеси из полости низкого давления соединен с потребителем, а патрубок для отвода непроникшей через мембрану фракции газовой смеси из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем, Устройство обладает повышенной степенью извлечения продукта за счет использования эжекторного смешения рециркуляционного потока и потока питания на выходе компрессора, в результате которого меняется состав смеси на входах в адсорберы при малом изменении давления на выходе эжектора. В некоторых режимах дополнительное повышение степени извлечения достигается за счет того, что выходной патрубок компрессора соединен с ваходными патрубками адсорберов через регулируемые клапаны.
На сбросном трубопроводе может быть установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером, позволяющий увеличить энергоэффективность за счет снижения давления десорбции.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема эжекторного мембранно-сорбционного устройства.
Устройство включает в себя компрессор 1, параллельно расположенные адсорберы 3 и 4 заполненные твердым адсорбентом, например, гранулированным цеолитом (или углеродным молекулярным ситом). Входы адсорберов 3 и 4 подключены к эжекционному смесителю 2, который в свою очередь подключен к компрессору 1, через трехходовой распределительный клапан 9 для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами и снабжены управляющими клапанами 10, 11 для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, из адсорберов 3 и 4 в сбросной трубопровод, снабженный дополнительным эжекционным смесителем 7 с ресивером 5. Выходы адсорберов 3 и 4 подключены к мембранному фильтру 6 через трехходовой распределительный клапан 14. Выход с компрессора 1 соединен со входами в адсорберы 3 и 4 через регулирующие клапаны 12 и 13. Мембранный фильтр 6 имеет полости высокого и низкого давления, разделенные селективным мембранным элементом, и обеспечивает как повышение концентрации целевого компонента, так и очистку газового потока от органических загрязнителей и твердых частиц, в том числе наночастиц сорбента. Патрубок отвода из полости низкого давления мембранного фильтра 6 соединен с потребителем, а патрубок отвода из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем 2.
Устройство также снабжено клапанами 8, 15, 16, 17, 18 обеспечивающими переключение направления течения потока газовой смеси.
Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей работает следующим образом.
Предполагается, что процесс разделения в ступени короткоцикловой адсорбции (КЦА) содержит следующие стадии: десорбция за счет сброса давления, заполнение адсорбера потоком с компрессора и/или потоком с выхода эжекционного смесителя, адсорбция и вытеснение продукта потоком с выхода эжекционного смесителя. Поскольку потери давления в ступени КЦА на стадии вытеснения в полости высокого давления мембранной ступени невелики, потери давления в эжекторе за счет корректного выбора его параметров тоже можно сделать достаточно малыми.
Исходная газовая смесь (воздух) сжимается с помощью компрессора 1 и под давлением подается по трубопроводу на эжекционный смеситель 2, где происходит повышение концентрации целевого компонента за счет подмешивания потока из полости высокого давления мембранного фильтра.
Сжатый и дополнительно обогащенный целевым компонентом воздуха под давлением 4÷10 атмосфер проходит через периодически переключающийся электромагнитный управляющий клапан 9 и поступает на вход адсорбера 3. При прохождении воздуха через слой адсорбента более сорбируемый компонент с легкостью им поглощается, а менее сорбируемый, обладающий меньшей величиной адсорбции и соответственно поглощаемый с меньшей скоростью, проскакивает в конец слоя и поступает через открытый для него переключающийся электромагнитный управляющий клапан 14 в мембранный фильтр 6, где проникший и дополнительно обогащенный и очищенный от примесей и продуктов истирания сорбентов поток, обогащенный целевым компонентом, поступает к потребителю, а не проникший через мембрану поток выходит через патрубок и подается в эжекционный смеситель 2.
В это время в адсорбере 4 происходит сброс давления и десорбция адсорбера через клапан 14 (клапан 10 в это время закрыт).
Через время полуцикла адсорберы 3 и 4 обмениваются своими функциями. Распределительный клапан 9 открыт в сторону адсорбера 4, который задерживает более сорбируемый компонент и продуцирует менее сорбируемый целевой компонент. Адсорбер 3 в это время освобождается от накопленного более сорбируемого компонента, клапан 10 открыт (клапан 11 закрыт). Такой цикл повторяется многократно. Таким образом, описанный вариант работы установки обеспечивает на выходе поток, обогащенный целевым компонентом.
Если на сбросном трубопроводе установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером, снижение давления десорбции происходит за счет того, что сначала при высоком давлении происходит сброс газа из адсорбера в ресивер, при среднем давлении сброс происходит в окружающую среду, а при низком давлении в конце десорбции, сброс осуществляется через эжектор, в котором в поток газа из ресивера эжектируется сбросной поток из адсорбера. При этом возможно достижение давления в адсорбере заметно ниже атмосферного.
Возможность изменения состава потока питания ступени КЦА за счет смешения в эжекторе дает возможность повысить степень извлечения продукта требуемой чистоты, которая при заданной чистоте конечного продукта определяется величиной относительного отбора.
Примеры реализации.
Пример 1.
Целью является получение воздуха, обогащенного кислородом до заданной величины концентрации 50% (об.) при заданных параметрах мембранной ступени.
К заданным параметрам мембранной ступени относятся: значение отношение давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления; значение селективности (отношение проницаемостей компонентов) равное 7.
3
При использовании предложенного устройства обогащенный кислородом продуктовый поток поступает потребителю в количестве 1,64 м/час при давлении 8 атмосфер и отношении давлений в мембранной ступени равном 1/8. При этом относительный отбор продуктового кислорода составляет 0,31 в случае заполнения потоком с компрессора. Степень извлечения продукта по сравнению с прототипом увеличивается в 1,13 раза.
3
При значении отношения давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления равном 6/8 и селективности равной 7 продуктовый поток величиной 1,03 м/час поступает потребителю при давлении 8 атмосфер. При этом относительный отбор продуктового кислорода составляет 0,24 в случае заполнения потоком с выхода эжекционного смесителя. Данный режим при заполнении абсорберов потоком с компрессора реализовать невозможно.
Пример 2.
При использовании предложенного устройства по п.2 при снижении давления десорбции до 0,1 атм. можно получать продуктовый поток при повышенной степени извлечения продукта. Так, например, при значении отношения давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления равном 4/8, при селективности равной 7 и при давлении адсорбции 8 атмосфер степень извлечения продукта при заполнении адсорберов с эжектора увеличивается на 5,4%, а при заполнении адсорберов с компрессора на 11,1%.
В примерах в качестве мембранного фильтра использован мембранный модуль фирмы Generon. В качестве сорбента использован цеолит NaX. В качестве компрессора использован компрессор фирмы DurrTechnik модель A-065 серии KK40.