Способ разделения атмосферного воздуха

Московский ордена Ленина и ордена Трудово айяФЗнамени химико-технологический институт им. Д.И. е 1) Заявятел СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Из тмообретение относится к разделениюа сферного воздуха методом адсорбции на две фракции, азотообогащенную и кнслородообогащенную, н может быть применено в процессах и производствах, которые используют или аэотообогащен. ную фракцию, нли, что предпочтительнее, обе фракции в качестве источника газовых сред при изготовлении полупроводниковых приборов, литье деталей иэ металлов и пластмасс, создании взрыво пожаробезопасных защитных атмосфер, эксплуатации авиационных и морских устройствИзвестен способ получения кондиционной аэотообогащеиной фракции, в ос.нову которого положен адиабатический процесс переменного давления. Адсорбцня азота происходит при возрастании давления, десорбция - при понижении давления в процессе, С целью повыщеиия частоты азотообогащенной фракции .предусмотрена стадия продувки адсорбента газом Я . Наиболее близким к изобретению является способ, согласно которому разделение воздуха проводят в двух параплельнык ветвях адсорберов, работакщнхв попеременных циклах адсорбции-десорбцни. На стадии адсорбции, осуаествляемой при околоатмосферном давлении,в адсорбер, заполненный цеолитом, подают воздух, предварительно осувен 1ный и очищенный от двуокиси углеродав независимой установке. В результатепреимущественной сорбции азота газовая фаза обогащается кислородом. Еевыводят из адсорбера, усредняют поконцентрации в газгольдере и используют в качестве йродуктовой кислородообогащенной фракции. На стадии десорбцни, осуществляемой при вакуумировании, нз адсорбера выводят ранее адсорбнрованный азот, усредняют в газгольдере по концентрации и используют в качестве продуктовой аэотообогащеннойфракции. С целью повыщения чистотыпродуктовых фракций перед стадией ад. сорбции в адсорбере поднимают давление путем заполнения его частью газапродуктовой кислородообогащеииойфракции, а перед стадией десорбцииадсорбер продувают частью газа дродуктовой аэотообогащенной фракции. Согласно данному способу в качестве продуктов получают 97,73 азот и обогащенный по кислороду воздух 1,21.Недостаток известного способа эа- фкпючается в том, что он может бытьосуществлен только при работе установки адсорбционного разделения на сухои воздухе, так как использование,влажного воздуха понижает емкость ад-,, сорбента по разделяемым компонентам,далее в том, что в связи с постепенным. приближением системы к стационарному состоянию из-за ввода части продуктовых фракций для продувки и запол-Енения адсорбера,данный метод яапяетсявысокоинерционнйм,Цель изобретения - использованиев качестве разделяемой смеси неосушенного и неочищенного воздуха и по вышение интенсивности процесса.Поставленная цель достигается темчто согласно способу разделения атмосферного воздуха на аэотобогащеннуюи кислородобогащенную фракции эдсорбЭОцией в адсорберах с неподвижныи слоемадсорбента при постоянной температуре,включающий заполнение адсорбентов газом, продувку газом адсорбента с последующей десорбцией азотобогащеннойфракции при понижении давления, в ка-честве газа для заполнения адсорберови продувки адсорбента используют газпеременного состава с постоянно возрастающей концентрацией азота, предварительно полученный в независимой группе адсорберов при понижении в ней давления.Техническим средством воппощеиняобнаруженного эффекта, который заключается в возможности получений кондиционной азотообогащенной фракции;припродувке адсорбера газом переменногосостава с постепенно увеличиванщимсясодержанием азота, является система,состоящая, по меньшейиере, из двух 50групп адсорберов с соответствующим типом адсорбента, из которых одна продуцирует аэото- н кислородообогащеннуюфракции далее названа продуцирующейгрУппой), а другая предназначена.для 55получения продувочного газа переменной концентрации (далее названа продувочной группой) . 4Продувочный газ переменного состава, полученный при постепенном пони.жении давления в продувочной группе, вводят в продуцирукщую группу с последующим выводом иэ нее кислородообогащенной фракции, часть которой используют в качестве кислородного продук" тового газа и некондиционной аэотообогащенной фракции. После завершения продувки в продуцирующей группе понижают давЛение и выводят кондиционную азотообогащенную фракцию, используе" мую в качестве продуктового гаэа.На чертеже приведена схема установки разделения воздуха периодического действия.Установка содержит трубопроводподачи воздуха к компрессору, компрессор 2 исходной газовой смеси, трубопровод 3 подачи воздуха к адсорберу электро (пневмсф- магнитные клапа-ны 4, 1 О, 3, 4, 8, 21, 23 и 24, коллектор 5 продувочного адсорбера, продувочный адсорбер 6, продуцирующий адсорбер 7, вакууи-насос 8 аэотообогащенной фракции, нижний коллектор 9 про" дуцирумщего адсорбера, трубопровод 11вывода азотообогащенной фракции,трубопровод 12 подачи азотообогащенной фракции на потребление, трубопровод 15 вывода продувочного газа из адсорбера, регулятор 16 расхода, трубопровод 17 подачи продувочного газа, верхний коллектор 19 продуцирующего адсорбера, трубопровод 20 подачи кислородообогащенной фракции на потребление", трубопровод 22 вывода продувочного га-. за, вакуум-насос 25 продувочного газа, трубопровод 26 подачи продувочного газа к вакуум-насосу 25, трубопро-. вод 27 подачи продувочного газа в ресивер, ресивер 28 переменного объема, компрессор.,29 продувочного газа, трубопровод 30 подачи продувочного газа к компрессору, трубопровод 3 подачи продувочного газа от компрессора.Рассмотрение работы схемы начинается с момента времени, соответствующего началу стадии продуцирования кондиционной азотообогащенной фракции в адсорбере 7 (предполагая, что аэо-. тообогащенная фракция накоплена в нем ранее) и заполнения воздухом в адсорбере 6. Указанный момент времени соответствует открытию клапаноь 4 н О при всех остальных закрытых кпапанах. Подлежащий разделению воздух по трубопроводуподают на сжатие в компрессор 2, Сжатую смесь по трубопроводу 3,9 97 дувкой 9,0 О 7 О 5 ,87413 через клапан 4, коллектор 5 направля- ют в -адсорбер 6, заполненный соответствующим тином адсорбента, Ввод воздуха в адсорбер 6 сопровождается поглощением аэота, накоплением его на. 5 адсорбенте при одновременном обогаще" нии газовой фазы кислородом. Давление в адсорбере 6 постепенно повышают одновременно со стадией заполнения воздухом в адсорбере б,а в ацсорбере 7 10 осуществляют продуцирование кондиционной азотообогащенной фракции. Для этого аэотообогащенную фракцию вакуум-насосом 8 через коллектор 9, кла" пан 10 и трубопровод 11 выводят из ад" 15 сорбера 7 и ло трубопроводу 12 направ" ляют на потребление. В ходе отбора продуктового газа давление в адсор" бере 7,уменьшается. При достижении определенного минимального давления 20 в адсорбере 7 и максимального в адсорбере 6 клапаны 4 и 10 закрывают и осуществляют стадии продуцирования продувочного газа и заполнения продувоч" ным газом. 2Для этого открывают клапаны 13 и 14 Начальные порции продувочного газа, обогащенные кислородом, при постепенном понижении давления в адсорбе" ре 6, по трубопроводу 15, через кла- З 0 пан 3, регулятор 16, трубопровод 17 клапан 14 и коллектор 9 поступает в адсорбер 7. Для нормального протекания процесса максимальное давление в адсорбере 6 должно быть выше максимального давления в адсорбере 7. Ввод продувочного газа в адсорбер 7 сопровождается поглощением азота соответствую-. щим тином адсорбента и одновременным обогащением газовой фазы кислородом. Прн достижении определенного давления в адсорбере 7 открывают клапан,18 и осуществляют стадию продуцирования кислородообогащенной фракции, начальные порции которой значительно обогащеныкислородом и испольэуютсй в качестве кислородного продуктового газа Проду" вочный газ, поступающий иэ адсорбера 6 вытесняет из адсорбера 7 кисло-, родообогащенную газовую фазу через 7 6коллектор 9, клапан 18 и трубопровод 20 на потребление.Спустя определенный промежуток времени, зависящий от величины средней концентрации кислородного продуктового газа, клапан 18 закрывают и открывают,клалан 21 Поступающий из адсорбера 6 продувочный газ переменного состава через коллектор 19, клепаю 21, трубопровод 22 вытесняет из адсорбера 7 газовую фазу, концентрация кисло" рода в которой постепенно уменьшается. При достижении определенной концемТ- рации кислородообогащенная фракция сменяется некондиционной аэотообогащенной фракцией, т.е. в адсорбере 7 осуществляют стадию продуцирования некондиционной аэотообогащеиной фракции.При достижении в адсорбере 6 давления, равного давлению в адсорбере 7, которое постоянно, закрывают клаваны 13 и 14 и открывают клапаны 23 и 24, Продувочный газ, обогащенный азотом, вакуум-насосом 25 по коллектору 5, через клапан 23, трубопровод 26, трубопровод 27 подают в ресивер 28. Иэ ресивера 28 продувочный гав компрессором 29 сжииают до определенного давления и по трубопроводу 30, трубопроводу 31, через клапан 24 и коллектор 9 нагнетают в адсорбер 7. Из адсорбера 7 через коллектор 19клапан 21трубопровод 22 выводят. некондиционную аэотообогащенную фракцию, концентрация азота в которой. постепенно увеличи-вается. При достижении минимального дав" ления в адсорбере 6 все ранееоткр- тые клапаны закрывают и открывают клапаны 4 и О. Цикл повторяют, чередуя стадии процесса. Характер изменения концентрации азота в продувочном газе переменного состава зависит от давления адсарбции и десорбции, типа, завлажненности и степени продувки адсорбента в адсорберах независимой группы. Сведения о его составе для цеолита 11 аХ при различных сочетаниях указанных факто" ров приведены в таблице.874137 Продолжение таблицы 5 ь57 96 9,0 0,05 Беэ продувки 1 О 5 0 1 То же 10 7 85 30 0,052 2 96 0,05 21 99 9,0 Формула изобретения еа в таююав. Для других типов цеолитов цифровые значения при подобных сочетаниях факторов иные, однако характер концентрационной зависимости сохраняется.П р и м е р. Проверку способа осущеатвили в установке,. показанной начертежеПродувочиый и продуцирукщий адсорберы имеют внутренний диаметр 70 мм. Высота насыпного. слоя составля" ет 1000 мм. Продувочный адсорбер заполняют цеолитом МаХ (фракция 2-3 мм), продуцирующий адсорбер - цеолитом СаА (аналогичная Фракция). Влажность подаваемого на разделение воздуха соответствует условиям насыщения при давлении процесса и комнатной температуре. В этих условиях завпажиенность адсорбента соответствует примерно10 вес.й. Адсорберы работают в описацном режиме. Продолжительность стадий следующая: заполнение воздухом 3 мин, продуцирование продувочного газа 7 мин, заполнение продувочным га" эом.,0,5 мин, .продуцирование кислородообогащенной фракции 1 мин, продуцирование некондиционной аэотообогащенной фракции 5,5 мнн, продуцирование кондиционной азотообогащенной фракции 3 минеВ продувочный адсорбер вводят,воздух при давлении 9 ат, что соответст" вует максимальному давлению на стадии заполнения воздухом.,Максимальное дав-фф ление в продуцирующем адсорбере около- атмосферный. Минимальное давление .в.обоих адсорберах соответствует 50 мм рт.ст. Количество воздуха, введенного на стадии заполнения в про- зе дувочный адсорбер, составляет 84 нл, Иэ продуцирующего адсорбера с помощью вакуум-насоса отбирают 16 нл газа, содержащего 973 М, осуществляя в нем ,стадию продуцнрования кондиционной 5 азотообогащенной фракции. После этого в продувочном адсорбере проводят стадию продуцирования продувочного газа, получая 8 нл продувочного газа, Концентрация азота в продувочном газе изменяется от 573 до 96,Я. Одновременно в продуцирующем адсорбере осуществляют стадии заполнения продувочным газом, продуцирования кислородообогащенной н некондиционной аэотообогащенной Фракций, получив 8 нл газа,.содержащего 45 О. После чего цикл повторяют.Для сравнения на этой же установке осуществлен технологический процесс о схеме известного способа. В результате четырех циклов работы параллельных адсорберов (отбор Фракций на потребление не производится) после вакуумирования одного из адсорберов в азотном газгольдере накоплено 2,8 нл 973 аэотообогащенной фракции. При продувке этим газом параллельного адсорбера после его вакуумнрования получено также 12,8 нл 973 азотообогащенной Фракции. Таким образом, всю получае-, мую аэотообогащенную фракцию следует использовать.для продувки параллельно работающего адсорбера, и производительность установки при данной завлшненности сорбента равна нулю.Предлагаемый способ, ввиду отсутствия необходимости использования части продуктового газа для продувки параллельно работающего адсорбера, оказывается работоспособнья в условиях повывенной эавлажненностн сорбента, когда производителъность известной.установки равна нулю. Кроме того, предлагаемая система практически безинерционна и может продуцировать кондицн" онные продуктовые газы, начиная со второго цикла работы. Способ разделения атмосферного воздуха на аэотообогащенную и кислородол ППП "Патент",род.ул.Проектная,4 Фили г Уж 9 8741 обогащенную фракции адсорбцией в адсорберах с неподвижным слоем при постоянной температуре, включаюций эа" полнение адсорберов газом, продувку газом адсорбента с последукщей десорб- цией аэотообогащенной фракции при понижении давления, о т л и ч а ю щ и й- . с я тем, что, с целью использования в качестве разделяемой смеси неосу", щенного и неочищенного воздуха и для о повышения интенсивности процесса, в качестве газа для заполнения адсорбе" ВНИИПИ Заказ 9118/12Тираж 709 Подписное 37 Оров и продувки адсорбента используютгаэ переменного состава с постоянновозрастающей концентрацией азота,предварительно полученный в независимой группе адсорберов при понижении в ней давления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США В 407064,кл,55-30,