АДСОРБЦИОННО-МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Полезная модель относится к адсорбционно-мембранным установкам для разделения газовых смесей и может быть использована для обогащения отдельных компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях при различных физико-химических промышленных технологических процессах, в лабораторных условиях, при производстве азота и кислорода из атмосферного воздуха и во многих других 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 азота из воздуха - сорбция кислорода) 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 парциальных давлений на мембране.
В последнее время находят применение комбинированные установки, в которых используются и адсорбционные колонны, и мембранные блоки, что обеспечивает повышение производительности и степени извлечения конечного продукта из газовой смеси. Так, из уровня техники известна адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте РФ №4223461. Известная установка 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. При этом в качестве конечного продукта используется только один поток, обогащенный азотом или кислородом.
Из уровня техники известна также адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте ЕПВ №266884 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, 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. В качестве конечного продукта используется только один поток, обогащенный азотом или кислородом, причем не очищенный от примесей (при прохождении через сорбент продукт загрязняется частицами сорбента за счет его истирания), что ограничивает область применения.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении качества (степени очистки от частиц аэрозолей) конечного продукта, степени его извлечения и снижении энергетических затрат. Кроме того, обеспечивается возможность одновременного получения двух конечных продуктов - компонентов газовой смеси, как с большей, так и с меньшей величиной адсорбции.
Указанный технический результат достигается тем, что адсорбционно-мембранная установка для разделения газовых смесей, содержащая компрессор, по меньшей мере два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, входные патрубки которых подключены к выходу компрессора через первый распределительный клапан для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами и снабжены первыми управляющими клапанами для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, из адсорберов в сбросной трубопровод, а выходные патрубки подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй через вторые управляющие клапаны с выходными патрубками адсорберов, а также мембранный блок, один из патрубков отвода которого соединен через третьи управляющие клапаны с входными патрубками адсорберов, при этом вход мембранного блока подключен к выходу компрессора, а другой патрубок отвода мембранного блока выполнен с возможностью соединения с потребителем и через вторые управляющие клапаны - с выходными патрубками адсорберов.
Установка может быть снабжена нагревателями, один из которых установлен перед вторым мембранным блоком, а другой перед вторыми управляющими клапанами.
Установка может быть также оснащена охладителем, установленным на выходе компрессора.
На выходных патрубках адсорберов могут быть установлены манометры.
На сбросном трубопроводе могут быть установлены ресивер и манометр. Другой ресивер может быть установлен перед вторым упрвляющими клапанами.
Установка может быть снабжена по меньшей мере двумя дополнительными адсорберами для поглощения влаги, углекислого и угарного газов, углеводородов, каждый из которых установлен непосредственно перед входом в адсорбер.
Установка может быть также снабжена вакуусным насосом, установленным на сбросном трубопроводе.
Установка может быть дополнительно снабжена регулируемой воздуходувкой для поддержания стабильного давления на входе компрессора.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема адсорбционно-мембранной установки.
Установка включает в себя напорную воздуходувку 1, компрессор 2 и может быть оснащена охладителем 3, установленным на выходе компрессора 2. Параллельно расположенные адсорберы 4 и 5 заполнены твердым адсорбентом, например, гранулированным цеолитом (или углеродным молекулярным ситом). Входные патрубки адсорберов 4 и 5 подключены к компрессору 2 через трехходовой распределительный клапан 6 для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами и снабжены управляющими клапанами 7, 8 для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, из адсорберов 4 и 5 в сбросной трубопровод 9, снабженный вакуумным насосом 10. Выходные патрубки адсорберов 4 и 5 подключены к мембранному фильтру 11 через трехходовой распределительный клапан 12. Мембранный фильтр 11 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 13 отвода из полости высокого давления мембранного фильтра 11 соединен с потребителем, а патрубок 14 отвода из полости низкого давления соединен с выходными патрубками адсорберов 4 и 5 через вторые управляющие клапаны 15, 16, обеспечивающие переключение выходящего газового потока, не проникшего через мембрану, между адсорберами 4 и 5.
Установка снабжена также мембранным блоком 17, имеющим полости высокого и низкого давления, разделенные селективным мембранным элементом, с патрубком 18 отвода из полости высокого давления и патрубком 19 отвода из полости низкого давления. Мембранный блок 17 за счет дополнительного обогащения газового потока менее сорбируемым компонентом снижает нагрузку на адсорбент. Патрубок 18 отвода мембранного блока 17 соединен через третьи управляющие клапаны 20, 21 с входными патрубками адсорберов 4 и 5. Вход мембранного блока 17 подключен к выходу компрессора 2, а патрубок 19 отвода мембранного блока 17 может быть соединен с потребителем, а через вторые управляющие клапаны 15, 16 - с выходными патрубками адсорберов 4 и 5.
Установка может быть снабжена нагревателями 22 и 23, один из которых - нагреватель 22 - установлен перед мембранным блоком 17, а другой - нагреватель 23 - перед вторыми управляющими клапанами 15, 16.
На выходных патрубках адсорберов 4, 5 могут быть установлены манометры 24, 25.
На сбросном трубопроводе 9 могут быть установлены ресивер 26 и манометр 27. Ресивер 36 может быть также установлен перед вторыми управляющими клапанами 15, 16 или перед нагревателем 23, в случае его наличия.
Установка может быть снабжена дополнительнам адсорбером 28, установленным непосредственно перед входом в адсорбер 4, и дополнительным адсорбером 29, установленным перед входом в адсорбер 5. Дополнительные адсорберы предназначены для поглощения влаги, углекислого и угарного газов, углеводородов.
Установка также снабжена клапанами 31, 32, 33, 34, 35, 37, 38, 39, обеспечивающими переключение направления течения потока газовой смеси.
Адсорбционно-мембранная установка для разделения газов работает следующим образом.
Исходная газовая смесь (воздух) сжимается с помощью компрессора 2 и под давлением подается по трубопроводу на охладитель 3, где происходит ее охлаждение.
Часть сжатого и охлажденного воздуха под давлением 4÷8 атмосфер проходит через периодически переключающийся электромагнитный управляющий клапан 6 и поступает в осушитель 28, в котором происходит очистка от влаги и масла, а также от углекислого и угарного газов и углеводородов. Далее осушенный поток поступает в адсорбер 4. При прохождении воздуха через слой адсорбента азот с легкостью им поглощается, а кислород, обладающий меньшей величиной адсорбции и сооотвественно поглощаемый с меньшей скоростью, проскакивает в конец слоя и поступает через открытый для него переключающийся электромагнитный управляющий клапан 12 в мембранный фильтр 11, где проникший и дополнительно обогащенный и очищенный от примесей и продуктов истирания сорбентов поток, обогащенный кислородом, поступает через патрубок отвода 13 к потребителю, а не проникший через мембрану поток выходит через патрубок отвода 14.
В тоже время сжатый воздух из компрессора 2 поступает на вход нагревателя 22, где он нагревается до температуры, соответствующей оптимальному режиму работы мембранного блока 17. Проходя через мембранный блок 17 воздух разделяется на две фракции - с повышенной (пермеат) и пониженной концентрацией кислорода. Пермеат под давлением выходит из мембранного блока 17 через патрубок отвода 18 и поступает через электромагнитный управляющий клапан 20 на вход адсорбера 4. Не проникший через мембрану поток с пониженной концентрацией кислорода выходит из мембранного блока 17 через патрубок отвода 19 (при закрытом клапане 39 и открытом 38 и 32) и соединяется с непроникшим потоком мембранного фильтра 11 в ресивере 36 и, проходя через нагреватель 23, соединенные потоки поступают на выход адсорбера 5 через электромагнитный управляющий клапан 16. Потоки, поступившие из патрубка отвода 19 мембранного блока 17, и из патрубка отвода 14 из мембранного фильтра 11 объединяются для повышения скорости десорбции, что необходимо для сорбентов с маленькой скоростью десорбции; благодаря этому увеличивается поток продуктового газа.
В это время в адсорбере 5 происходит сброс давления и откачка накопленного азота безмасляным вакуумным насосом 10 через клапан 8 (клапан 7 и клапан 35 в это время закрыты). Через клапан 34 возможен отбор обогащенного азота при атмосферном давлении.
Через время полуцикла адсорберы 4 и 5 обмениваются своими функциями. Распределительный клапан 6 открыт в сторону адсорбера 5, который задерживает азот и продуцирует кислород. Адсорбер 4 в это время освобождается от накопленного азота, клапан 7 открыт (клапан 8 закрыт). Происходит подмешивание обогащенного кислородом потока с мембранного блока 17 через электромагнитный управляющий клапан 21 (клапан 20 закрыт). А не проникшие потоки мембранного фильтра 11 и мембранного блока 17 после нагревателя 23 поступают в адсорбер 4 через электромагнитный управляющий клапан 15 (клапан 16 закрыт). Такой цикл повторяется многократно. Таким образом, описанный вариант работы установки обеспечивает на выходе поток, обогащенный кислородом (через патрубок 13 отвода из полости высокого давления мембранного фильтра 11), с возможностью отбора обогащенного азота через клапан 34.
Для получения высокообогащенного азота и кислорода с высокой степенью извлечения установка работает следующим образом.
Сжатый с помощью компрессора 2 и нагретый посредством нагревателя 22 до температуры, соответствующей оптимальному режиму работы мембранного блока 17, воздух под давлением 4÷8 атмосфер проходит через мембранный блок 17 при закрытом клапане 32. Не проникший через мембрану поток с повышенной концентрацией азота выходит из мембранного блока 17 через патрубок отвода 19 поступает потребителю при открытом клапане 39 и закрытом клапане 38. Проникший через мембранный блок поток пермеата под давлением выходит через патрубок отвода 18 и поступает через электромагнитный управляющий клапан 20 на вход адсорбера 4.
При прохождении воздуха через слой адсорбента азот с легкостью им поглощается, а кислород, обладающий меньшей величиной адсорбции и соответственно, поглощаемый с меньшей скоростью, проскакивает в конец слоя и поступает через открытый для него переключающийся электромагнитный управляющий клапан 12 в мембранный фильтр 11, где проникший и дополнительно обогащенный и очищенный от примесей и продуктов истирания сорбентов поток, обогащенный кислородом, поступает через патрубок отвода 13 к потребителю, а не проникший через мембрану поток выходит через патрубок отвода 14.
Далее не проникший поток 14 мембранного фильтра 11 накапливается в ресивере 36, проходит через нагреватель 23 и поступает на выход адсорбера 5 через электромагнитный управляющий клапан 16. В адсорбере 5 происходит сброс давления и откаченный поток, обогащенный азотом, через клапан 8 (клапан 7 в это время закрыт) отправляется на вход установки через открытый клапан 35 (клапан 34 закрыт).
Через время полуцикла адсорберы 4 и 5 обмениваются своими функциями. Данный вариант работы установки обеспечивает на выходе поток, обогащенный азотом (через патрубок 19 отвода мембранного блока 17), через клапан 39 с возможностью отбора обогащенного кислорода (через патрубок 13 отвода из полости высокого давления мембранного фильтра 11). В этом варианте продуктовые потоки будут меньше относительно первого описанного варианта работы, и степень извлечения будет выше.
Эти варианты расширяют область применения данной установки.