Способ селективной адсорбции кислорода

01 О 53/02 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ л. В 26 Ю.Я. Игнатов,лец Ондржей (ЧССР);СОРБЦИ1 на м 7) 1СПОСОБ СЕИ КИСЛОРОДА из гекулярйых ситахи ч а ю щ и й сувеличения степ ВНОИ Ю- ой смеси давлением, м что с звлечения) ЛЕКТИ азов под я те ни и елью ГОСУАЮСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО. ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 1) 2982885/23"26(56) 1. Заявка фРкл. В 01 0 53/04,2. Патент СШАкл. В 01 Р 53/04,эа счет повышения адсорбционной емкости, адсорбцию ведут на углеродных молекулярных ситах, имеющих размер микропор 2,9-3 8 А и объем микропор. 0,05-0,25 см /г, при температуре слоя адсорбента, изменяющейся от температуры конденсации.очнщае" мого газа до температуры окружающей среды, и возрастающей скорости пропускания газового потока через адсорбент..2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что температуру слоя адсорбента по ходу газа повышают от 40 до 300 град/м.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что скорость газового Е потока повьааают в 2-4 раза по сравнению с начальной.Ев 5 Изобретение относится к способамселективной адсорбции кислорода иможет быть применено на предприятиях,в цехах и лабораториях, использующих особо чистые газы в качестве защитной среды, газа-носителя или рабочего тела.Известен способ разделения бинарной газовой смеси, заключающийся втом, что определенное количество газовой смеси вводят под давлением в 10адсорбцнонную колонну, заполненнуюцеолитом. Отвод газовых фракцийиз адсорбционной колонны осуществляют под вакуумом при температуре близкой к температуре газовой смеси, вво димой в колонну. Для разделения смеси аргон - кислород применяют цеолитс диаметром пор около 4 А. Для покрытия теплоты десорбции скорость пропускания газовой смеси через колоннуподдерживают более высокой, чем этотребуется для установления адсорбци-онного равновесия 1 (.Недостатки способа в том, что селективность поглощения кислорода изпотока аргуна проявляется на цеолите типа 4 А только в узком диапазоне температур 108-90 К. Способ непригоден для разделения смеси азоткислород вследствие значительнойадсорбции азота цеолитом 4 А. Давление адсорбции при указанных условиях не превышает 1,5 ата(1520 гПа).Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является способочистки аргона от кислорода низкотемпературной адсорбцией на цеолитахИаА,КА или АсзА при давлении 1,530 ата (1520-30390 гПа) в нескольких адсорберах (2 (, 40Известный способ может использоваться лишь для очистки сырого аргона и смеси аргон - гелий от примесикислорода, в присутствии же азота вочищаемых газовых смесях он не обеспечивает высокой степени извлечениякислорода вследствие одновременнойадсорбции азота.Цель изобретения - увеличение степени извлечения кислорода за счет поОвышения адсорбционной емкости сорбента.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу селективной адсорбции кислорода адсорбцию ведут науглеродных молекулярных ситах имеющих размер микропор 2,9-3,8 А иобъем микропор 0,05-0,25 см /г, притемпературе слоя ацсорбента, изменяющейся от температуры конденсацииочищенного газа до температуры окружающей среды, и возрастающей скорости пропускания газового потока черезадсорбент,Предпочтительным является повышение температуры слоя адсорбента по ходу от 40 до 300 град/м и скоростигазового потока - в 2-4 раза по срав.нению с начальной.На фиг. 1,2 приведены схемы процесса при давлении выше и ниже критического соответственно; на фиг,3график зависимости адсорбционной емкости углеродного молекулярного сита в зависимости от размера микропор,Технология способа состоит в следующем.Для осуществления процесса селектинной адсорбции кислорода при давлении выше критического (фиг. 1)сжиженный в ректификационной колонне или конденсаторе очищаемый гаэ(азот или аргон с примесями кислорода) сжимают в жидкостном насосе 1до 15-1 б,5 МПа, направляют в низкотемпературный теплообменник 2, гдеосуществляют газификацию сжатогосжиженного газа. Из теплообменникаочищаемый гаэ с температурой равнойкритической поступает снизу в одиниэ адсорберов 3, заполненный углеродным молекулярным ситом. Нижниеслои адсорбента, охлаждаемые до 130155 К поглощают максимальное количество кислорода (около 12 см /г),а верхние слои адсорбента, имеющиетемпературу близкую к 300 К, поглощают минимальное количество кислорода (около О,б см 3/г). Очищенный газподогревают в теплообменнике 4 иэакачивают в баллоны. В процессеочистки скорость газового потока,отнесенная к полному сечению адсорбента, увеличивается за счет увеличения объема очищаемого газа,При термической десорбции, с повышением температуры слоя адсорбента, в межтрубное пространство адсорбента направляют горячий регенерирующий гаэ (воздух, азот) но линии 5и отводят его из системы по линии б.Одновременно производят снижениедавления от,рабочего до атмосферного с последующим вакуумированиемслоя углеродного молекулярного ситадо 0,1-0,01 мм рт.ст. (0,13-0,01 гПа)по линии 7В процессе селективной адсорбциикислорода при давлении ниже критического (фиг. 2) воздух при температуреблизкой к насыщению поступает в ректификационную колонну 8, где производят его разделение в аппарате двухкратной ректификации и получают чистый кислород с концентрацией не ниже99,7 и чистый азот, содержащий0,01-1,0 кислорода. Газообразныйазот при давлении 0,13-0,14 МПа отбирают из верхней части ректификационной колонны низкого давления инаправляют в один из двух переключающихся адсорберов 9. Температура очищаемого азота на входе в адсорберы78-80 К, на выходе из адсорберовоколо 300 К. При этом скорость газо вого потока увеличивается в 4 раза.Полная адсорбционная емкость углеродного молекулярного сита при 78- 80 К - около 17 см/г. Очищенный азот сжимают компрессором и закачи вают в баллоны.Регенерацию адсорбента проводят в изотермических или неиэотермических условиях, используя горячий регенерирующий газ (воздух, азот). 10 Продукты десорбции (кислород) удаляют вакуумированием слоя адсорбента.П р и м е р 1 (фиг. 1). Сжиженный аргон, содержащий 3 кислородаи менее 0,001 азота, сжимают в жид 15костном насосе до 15 МПа, нагреваютв теплообменнике до 152 К и направляют в один из адсорберов с углеродным ситом имеющим размер микропор3,8 А и объем микропор 0,15 см /г. ЮВ процессе селективной адсорбциикислорода температуру очищаемой .смеси и адсорбента повышают от 152до 295 К Очищенный аргон, содержащий менее 0,001 кислорода, имеющий 25температуру 295 К, поступает в предварительный теплообменник, нагревается до 310 К и направляется в баллоны, При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в два раза. Производительность установки 12 мЭ/ч, высота слоя углеродного молекулярногосита 2,5 м. Температуру слоя адсорбента Т повышают по графику показа- утельной функции с показателем степени равньм 2, 0: Т-Тк К , где Т к - критическая температура смеси или температура насыщения, К - констатнта, из-меняющаяся в пределах 1,1-2,0; Н - ф 4высота слоя адсорбента.П р и м е р 2 (фиг. 1). Сжиженныйаргон, содержащий 2 кислорода и менее 0,001 азота, сжимают в жидкостном насосе до 16 МПа, нагревают в 45теплообменнике до 151 К и направляют в один из адсорберов с углеродныммолекулярным ситом, имеющим размермикропор 3,3 А и объем микропор0,25 см /г. В процессе селективной3адсорбции кислорода температуру очищаемой смеси и адсорбента повышаютот 151 до 300 К. Очищенный аргон, содержащий менее 0,002 кислорода,имеющий температуру 300 К, направляют в предварительный теплообменник,нагревают до 310 К и нагнетают вбаллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовойсмеси увеличивается в два раза. Производительность установки 5 м 3/ч, . 60высота слоя углеродного молекулярного сита 2,1 м. Температуру слоя адсорбента повышают по графику показательн:й функции с показателем степени 1,3, 65 П р и м е р 3,(фиг. 2). Газообразный азот, содержащий 1,0 кислорода, при 0,13 МПа и 78 К поступает в один из переключающихся дсорбентов, заполненных углеродным молекулярн(р ситом с размером микропор 3,1 А и объем микропор 0,11 см 3/г. В процессе селективной адсорбции кислорода температуру очищаемой газовой смеси и адсорбента повышают от 78 до 300 К, Очищенный азот, содержащий.менее 0,001 кислорода, направляют при 300 К в мембранный компрессор, сжимают и эакачивают в баллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в четыре раза. Высота слоя адсорбента 2,0 м. Температуру слоя адсорбента по высоте повышают по графику показательной функции с показателем степени 1,5.П р и м е р 4 (фиг. 2). Газообразный азот, содержащий 0,01 кислорода, при 0,14 МПа и 80 К поступает в один из переключающихся адсорберов, заполненный углеродным молекулярным ситом с размером микропор 2,9 А и объем микропор 0,05 см 3/г. ,В процессе селективной адсорбции кислорода температуру очищаемой смеси и адсорбента повышают от 80 до 300 К. Очищаемый азот, содержащий менее 0,003 кислорода, направляют при 300 К в мембранный компрессор, сжимают и закачивают в баллоны. При прохождении через адсорбер скорость очищаемой газовой смеси увеличивается в четыре раза. Высота. слоя ад" сорбента 3,0 м. Температуру слоя адсорбента по высоте повышают по графику показательной функции с показателем степени 1,1.В процессе селективной адсобции кислорода в качестве адсорбента используют углеродные молекулярные сита, с размером микропор 2,9-3,8 1 и объем микропор 0,05-0,25 см /г.Эффективный размер молекулы кислорода 2,8 А, а молекул азота и аргона соответственно 3,7 А и 3,8 Х. В связи с этим нижний предел. размера микропор углеродного молекулярного сита (2,9 А) определяется воэможностью адсорбции молекул кислорода в указанном диапазоне температур. При увеличении размера микропор более 3,8 А происходит совместная адсорбция кислорода и очищаемого газа (азота или аргона), т.е, прекращается процесс селективной адсорбциикислорода.Таким образом, диапазон 2,9-3,8 В обеспечивае= процесс селективной адсорбции кислорода из потока очищаемого аргона или азота. При синтезе углеродных молекулярных сит происходит планомерное образование микропор определенного размера и опре 1028349деленного объема.В таблице приведе ны результаты исследования микропористой структуры углеродных молекулярных сит, имеющих различную степень обгара. б Кисло,25 8 Увеличение объема микроп водит к увеличению адсорбци кости углеродного молекуляр та, т.е. к увеличению колич поглощаемого кислорода. Кисл род, азот арго р принной емого систва Углеродные молекулярные сита,имеющие строго определенные параметры микропористой структуры, позволяют производить селективную адсорбциюкислорода из газовых смесей, содер жащих азот, аргон, гелий и некоторыедругие газы. В отличие от цеолитовтипа ЮаА, КА и АдИаА область селективной адсорбции наблюдается от температуры конденсации для этой сме си до температуры окружающей среды.Поглощение примесей кислорода производят при любом давлении выше атмосферного.Согласно данному способу селективную адсорбцию кислорода проводят.при переменной температуре, хладагентдля термостатирования слоя адсорбен,та не используется, в то время какв известном способе расход хладагента,2,0-0,8 кгм очищаемого газа,Охлаждение слоя адсорбента производят очищаемым газом, адсорбируя приэтом только примесь кислорода. Способпозволяет повысить степень использования адсорбционной емкости адсорбента до 0,95-0,97 в,(известном 0,8),атакже получить азот особой чистотыпо ГОСТУ 9293-74 или аргон высокойчистоты по ТУ 6-21"12-74.1028349 Йащгнний 1 жаяьйР П "Патентф, г,ужгород,ул.Проектная,4 Филиал ИИПИ Заказ 4841/5 Тираж 688 ПодписиЪеЬ