ГЕНЕРАТОР АЗОТА

Область техники.
Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к системам генерирования инертной газовой среды с высоким содержанием азота. Заявляемый генератор азота используется для подачи сжатого газа в качестве источника энергии для технологических процессов, при освоении и ремонте нефтяных скважин, испытании и ремонте трубопроводов, и других целей в различных отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники.
Известен генератор инертной технологической газовой среды, содержащий входной нагнетательный блок к выходу которого через охлаждающий теплообменник подключен блок фильтрации и газоразделительный блок с полупроницаемыми мембранами. Вышеуказанный генератор дополнительно содержит нагревательный теплообменник, выход газа которого подключен к газоразделительному блоку, а вход газа подключен к выходу блока фильтрации. При этом входной нагнетательный блок выполнен, например, в виде компрессора с дизель-генератором (патент РФ №64936 на полезную модель, МПК B01D 53/22, B01J 7/00, 2007 [1]).
Недостатком аналога [1] является относительно большой удельный расход электроэнергии на выработку инертной газовой смеси на основе азота. Электрическая энергия затрачивается на дизель-генератор компрессора, охлаждение дизель-генератора, охлаждение, очистку, нагрев сжатого воздуха в нагревательном теплообменнике и вспомогательные нужды. При этом тепловая энергия, отводимая от дизель-генератора при его охлаждении теряется в окружающую среду. Большие затраты электроэнергии снижают эффективность работы генератора инертной технологической газовой среды.
Раскрытие полезной модели.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является снижение энергозатрат на получение азота.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является снижение энергозатрат на получение азота за счет утилизации тепла, отводимого от привода компрессора, выполненного в виде ДВС.
Сущность полезной модели состоит в том, что генератор азота содержит компрессор с приводом в виде ДВС, систему подготовки воздуха с подогревателем и газоразделительный блок, при этом выход воздуха компрессора соединен со входом системы подготовки воздуха, выход воздуха подогревателя которой соединен со входом газоразделительного блока. При этом:
- привод компрессора содержит вход и выход охлаждающей жидкости, а подогреватель содержит вход и выход жидкого теплоносителя;
- вход жидкого теплоносителя подогревателя соединен с выходом охлаждающей жидкости привода компрессора;
- выход жидкого теплоносителя подогревателя соединен со входом охлаждающей жидкости привода компрессора.
Привод предпочтительно выполнен в виде дизельного двигателя, а компрессор выполнен винтовым, при этом выходной вал двигателя соединен с валом компрессора посредством эластичной муфты.
На входе воздуха компрессора преимущественно размещен впускной фильтр.
Между входом и выходом воздуха подогревателя предпочтительно установлен байпас, вход которого соединен с трехходовым вентилем, размещенным на входе воздуха подогревателя.
Система подготовки воздуха желательно содержит соединенные последовательно сепаратор-маслоотделитель, охладитель, сепаратор-влагоотделитель, фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки и угольный фильтр. При этом вход воздуха сепаратора-маслоотделителя является входом воздуха системы подготовки воздуха, а выход воздуха угольного фильтра соединен со входом воздуха подогревателя.
Краткое описание чертежей.
На фигуре показана принципиальная схема генератора азота. Осуществление полезной модели.
Генератор азота содержит компрессор (1) с приводом (2) в виде ДВС, впускной фильтр (3), систему подготовки воздуха и газоразделительный блок (4).
Компрессор (1) предназначен для сжатия атмосферного воздуха с целью создания движущей силы процесса мембранного разделения воздуха на составляющие компоненты. Компрессор (1) предпочтительно выполнен винтовым.
Привод (2) компрессора предпочтительно выполнен в виде дизельного двигателя, при этом вал двигателя соединен с валом компрессора (1) посредством эластичной муфты (5). Привод (2) содержит вход (14) и выход (15) охлаждающей жидкости, которая омывает его цилиндры, охлаждая их.
Впускной фильтр (3) размещен на входе воздуха в компрессор (1) и предназначен для предварительной очистки поступающего на сжатие воздуха от механической пыли.
Система подготовки воздуха содержит соединенные последовательно сепаратор-маслоотделитель (6), охладитель (7), сепаратор-влагооотделитель (8), фильтр грубой очистки (9), фильтр тонкой очистки (10), угольный фильтр (11) и подогреватель (12). Вход системы подготовки газа соединен с выходом компрессора (1).
Сепаратор-маслоотделитель (6) предназначен для отделения основной части масла от сжатого газа. Вход воздуха сепаратора-маслоотделителя (6) является входом воздуха системы подготовки воздуха. Сепаратор-маслоотделитель (6) содержит корпус, в котором установлен по крайней мере один фильтрующий элемент. Выход масла сепаратора-маслоотделителя (6) соединен со входом масла компрессора (не показано).
Охладитель (7) предназначен для охлаждения сжатого и нагретого компрессором (1) воздуха.
Сепаратор-влагоотделитель (8) предназначен для удаления конденсата и механических примесей из охлажденного в охладителе (7) воздуха.
Фильтр грубой очистки (9) предназначен для очистки воздушного потока от мелких механических примесей, масляных аэрозолей и капельной жидкости.
Фильтр тонкой очистки (10) предназначен для отделения не задержанных фильтром грубой очистки (9) микрочастиц влаги и масла в виде очень мелкой аэрозоли.
Угольный фильтр (11) предназначен для адсорбции паров масла и жидкости, не сконденсированных в охладителе (7) и не задержанных в сепараторе-влагоотделителе (8) и фильтрах грубой (9) и тонкой (10) очистки.
Подогреватель (12) предназначен для увеличения температуры воздуха до значения, соответствующего оптимальному значению при газоразделении. Подогрев воздуха необходим для предотвращения конденсации не задержанной жидкости на мембранах газоразделительного блока (4). Подогреватель (12) содержит вход (16) и выход (17) жидкого теплоносителя, который нагревает сжатый воздух. Вход (16) жидкого теплоносителя соединен с выходом (15) охлаждающей жидкости привода (2). Выход (17) жидкого теплоносителя соединен со входом (14) охлаждающей жидкости привода (2). Таким образом тепло, отведенное охлаждающей жидкостью от привода (2), используется для нагрева сжатого воздуха в подогревателе (12). Выход воздуха подогревателя (12) соединен со входом газоразделительного блока (4). С целью регулирования степени подогрева сжатого воздуха между входом и выходом воздуха подогревателя (12) установлен байпас (20), вход которого соединен с трехходовым вентилем (13), размещенным на входе воздуха подогревателя (12).
Газоразделительный блок (4) предназначен для получения азота из воздуха. Газоразделительный блок (4) содержит картриджи с полимерными половолоконными мембранами. Газоразделительный блок (4) содержит выход азота (18) и выход газов с высоким содержанием кислорода - пермеат (19).
Описание работы.
Компрессор (1) приводится дизельным двигателем (2) через эластичную муфту (5). Компрессор всасывает атмосферный воздух через воздушный фильтр (3) и затем сжимает. При этом сжимаемый воздух смешивается с маслом. Затем масловоздушная смесь имеющая температуру 100-120°C поступает в сепаратор-маслоотделитель (6), где основная часть масла задерживается фильтрующим элементом. После этого сжатый горячий воздух поступает на охлаждение в охладитель (7). В охладителе (7) сжатый воздух максимально охлаждается. При этом в сжатом воздухе выпадает большое количество капельной влаги - конденсата. Далее, сжатый воздух проходит осушку и очистку в сепараторе-влагоотделителе (8), фильтре грубой очистки (9), фильтре тонкой очистки (10) и угольном фильтре (11). После угольного фильтра (11) сжатый очищенный воздух нагревается в подогревателе (12) до температуры соответствующей оптимальному значению при газоразделении. При этом охлаждающая жидкость дизельного двигателя (2) отдает часть своего тепла сжатому воздуху, подогревая его. После этого охлаждающая жидкость возвращается в привод (2) и охлаждает его. Подогретый же воздух поступает в газоразделительный блок (4). Регулировка степени подогрева сжатого воздуха в подогревателе (12) осуществляется с помощью трехходового вентиля (13), который часть сжатого воздуха направляет по байпасу (20) на вход газоразделительного блока (4), в обход подогревателя (12). В газоразделительном блоке (4) происходит разделение потока сжатого воздуха на два: поток газов с высоким содержанием кислорода - пермеат, и поток газов, обогащенных азотом. Разделение газов происходит за счет различных коэффициентов проницаемости азота и кислорода через полимерную мембрану. Движущей силой разделения является разность парциальных давлений газов на мембране. Поток газов, проникших через мембрану - пермеат, находится при атмосферном давлении. Не проникшая через мембрану инертная газовая смесь на основе азота находится под давлением выше атмосферного. Пермеат с выхода пермеата (19) сбрасывается в атмосферу, а поток газов обогащеных азотом с выхода азота (18) подается потребителю.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в заявляемом генераторе азота заявляемый технический результат: «снижение энергозатрат на получение азота за счет утилизации тепла, отводимого от привода компрессора, выполненного в виде ДВС» достигаются за счет того, что генератор азота содержит компрессор с приводом в виде ДВС, систему подготовки воздуха с подогревателем и газоразделительный блок, при этом выход воздуха компрессора соединен со входом системы подготовки воздуха, выход воздуха подогревателя которой соединен со входом газоразделительного блока. При этом:
- привод компрессора содержит вход и выход охлаждающей жидкости, а подогреватель содержит вход и выход жидкого теплоносителя;
- вход жидкого теплоносителя подогревателя соединен с выходом охлаждающей жидкости привода компрессора;
- выход жидкого теплоносителя подогревателя соединен со входом охлаждающей жидкости привода компрессора.
У аналога [1] при выработке азота электрическая энергия расходуется на охлаждение дизель-генератора, нагрев сжатого воздуха в нагревательном теплообменнике и другие технологические и вспомогательные нужды. При этом от дизель-генератора в окружающую среду отводится тепловая энергия. Такой расход электрической энергии является невыгодным. У заявляемого генератора азота подогрев воздуха в подогревателе (12) осуществляется путем передачи тепловой энергии ДВС привода (2) сжатому воздуху, поступающему в газоразделительный блок (4), теплоноситель - охлаждающая жидкость. При таком исполнении генератора азота не требуется дополнительных затрат электроэнергии на нагрев воздуха в подогревателе (12) и затрат энергии на охлаждение охлаждающей жидкости привода (2). Таким образом, за счет утилизации тепла, отводимого от привода компрессора (1) снижаются энергозатраты на получение азота.
Промышленная применимость.
Авторами полезной модели изготовлен опытный образец заявленного генератора азота.
Заявляемый генератор азота реализован с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлен на машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в области химической, угольной и горнодобывающей промышленности, областях добычи, переработки, транспортировки и сбыта нефтяных и газовых продуктов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Патент РФ №64936 на полезную модель, МПК B01D 53/22, B01J 7/00, опубл. 2007 г.