АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 1995 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к адсорбционной технике, в частности к способам разделения газов.

Известна адсорбционная установка разделения воздуха, включающая источник сжатого воздуха, два или несколько попеременно работающих адсорберов, заполненных сорбентом для извлечения азота или кислорода из воздуха при комнатной температуре [1]
Данная установка характеризуется низкой удельной производительностью и невысокой чистотой продуктов разделения.

Это объясняется тем, что на стадии адсорбции, включающей заполнение адсорбента воздухом высокого давления и адсорбцию одного из компонентов воздуха, происходит выделение тепла сжатия и адсорбции, что приводит к разогреву сорбента и разделяемых компонентов воздуха. Увеличение степени разогрева сорбента совпадает с направлением движения газа в адсорбере в период его заполнения, так что максимальному разогреву (до 40-50^оС) подвержены самые верхние слои сорбента и продукты разделения на выходе их из адсорбера. Повышение температуры адсорбции приводит к снижению адсорбционной емкости сорбента и степени разделения воздуха на компоненты, поэтому уменьшается удельная производительность установки и чистота продуктов разделения.

На стадии десорбции осуществляется сброс газа из адсорбера, сопровождаемый охлаждением сорбента и газа за счет расширения газа и его десорбции. Снижение температуры слоя сорбента снижает степень его регенерации, что приводит к потере сорбционной емкости сорбента на стадии адсорбции и, следовательно, к снижению удельной производительности установки.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является адсорбционная воздухоразделительная установка, включающая источник сжатого воздуха, клапаны управления газовыми потоками, заполненные адсорбентом адсорберы, внутри которых расположены металлические теплопроводящие элементы, ориентированные вдоль оси адсорбера [2]
В такой установке установленные таким образом теплопроводящие элементы позволяют уменьшить градиенты температуры на выходе адсорберов за счет перераспределения тепла (холода) по слою, однако, выделяющееся тепло (холод) остается в адсорбере, что приводит к увеличению (уменьшению) температуры и, как следствие, к снижению сорбционной емкости и степени регенерации адсорберов, что проявляется в виде уменьшения удельной производительности установки и чистоты продуктов разделения.

Технической задачей изобретения является повышение удельной производительности установки и чистоты продукта разделения, она достигается тем, что в известной адсорбционной установке разделения воздуха, содержащей источник сжатого воздуха, клапаны управления газовыми потоками, заполненные сорбентом адсорберы, внутри которых расположены теплопроводящие элементы, согласно изобретению, адсорберы выполнены в виде единого узла таким образом, что имеют одну общую сторону, а патрубки входа воздуха расположены на их противоположных торцах. Кроме того, теплопроводящие элементы расположены перпендикулярно направлению движению газовых потоков в адсорберах, при этом теплопроводящие элементы внутреннего адсорбера установлены со стороны входа воздуха в этот адсорбер от источника его сжатия и имеют тепловой контакт с теплопроводящими элементами наружного адсорбера, установленными со стороны выхода отработанного газа из этого адсорбера и наоборот. Таким образом, предлагаемая установка позволяет компенсировать тепло, выделяющееся в процессе сорбции и сжатия холодом, вырабатываемым в процессе расширения и десорбции, что стабилизирует температуру протекающих процессов, тем самым обеспечивая достижение максимальных удельной производительности установки и чистоты получаемого продукта.

На фиг. 1 изображена одна из возможных схем установки; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 узел I на фиг1 (вариант выполнения теплопроводящих элементов).

Установка включает источник сжатого воздуха 1, адсорберы 2 и 3, заполненные сорбентом и снабженные патрубками 4 и 5 для входа воздуха от источника 1 и 6, 7 для выхода продукта разделения, клапаны 8-14 для управления газовыми потоками. Адсорберы 2 и 3 размещены таким образом, что входной патрубок 4 адсорбера 2 и выходной патрубок 7 адсорбера 3 расположены на одном торце адсорбционного блока, например, на верхнем, а выходной патрубок 6 адсорбера 2 и входной патрубок 5 адсорбера 3 на другом торце, например, на нижнем.

Кроме того, адсорберы 2 и 3 снабжены теплопроводящими элементами 15-18, изготовленными из высокотеплопроводного материала, например из меди, и размещенными со стороны входных и выходных патрубков по высоте каждого адсорбера, составляющей примерно 1/3 высоты слоя сорбента в адсорберах. Теплопроводящие элементы могут быть выполнены, например, в виде стержней и установлены таким образом, что теплообменная поверхность элемента 16, расположенная в слое цеолита со стороны входа воздуха в адсорбере 2, имеет тепловой контакт с теплообменной поверхностью элемента 17, расположенной в слое цеолита адсорбера 3 со стороны выхода продукта разделения, а теплообменная поверхность элемента 18, расположенная в слое цеолита со стороны входа воздуха в адсорбере 3, имеет тепловой контакт с теплообменной поверхностью элемента 15, расположенной в слое цеолита адсорбера 2 со стороны выхода продукта разделения.

Такое исполнение адсорбционной установки разделения воздуха (размещение адсорберов, расположение патрубков входа воздуха и выхода продукта разделения и теплопроводящих элементов) позволяет оптимальным образом компенсировать тепло сжатия и адсорбции, получаемое в процессе заполнения наружного адсорбера, холодом, вырабатываемым при десорбции и расширении в процессе опорожнения внутреннего адсорбера, и наоборот.

Установка работает циклично, так что, когда в адсорбере 3 осуществляют процесс адсорбции, то в адсорбере 2 в это время осуществляют процесс десорбции.

Последовательность операций при работе установки с детальным представлением ее конструкции заключается в следующем.

Воздух повышенного давления поступает от источника 1 через открытый клапан 9 и патрубок 4 в адсорбер 2, в котором при движении воздуха по слою цеолита за счет преимущественной адсорбции азота на цеолите он обогащается кислородом, после чего через патрубок 6 и открытый клапан 14 обогащенный кислородом воздух подается потребителю в виде продукта разделения. При этом клапан 12 частично приоткрыт, и часть обогащенного кислородом воздуха направляют в адсорбер 3.

В это же время через патрубок 5 и открытый клапан 10 из адсорбера 3 осуществляют сброс отработанного газа. После опорожнения адсорбера 3 закрывают клапаны 9, 10 и 14 и одновременно открывают клапаны 8, 11 и 13 (адсорбер 2 переключается в режим регенерации), в результате воздух повышенного давления от источника 1 через патрубок 5 и открытый клапан 8 поступает в адсорбер 3, в котором при движении воздуха по слою цеолита за счет преимущественной адсорбции азота на цеолите он обогащается кислородом, после чего через патрубок 7 и открытый клапан 13 обогащенный кислородом воздух подается потребителю, при этом клапан 12 частично приоткрыт, и часть обогащенного кислородом воздуха направляют в адсорбер 2.

Далее процесс повторяется.

Вследствие цикличной работы установки (рассматривается цикл, при котором в адсорбере 2 осуществляется процесс адсорбции, а в адсорбере 3 процесс десорбции) при заполнении адсорбера 2 воздухом повышенного давления одновременно осуществляют сброс отработанного газа из адсорбера 3 и наоборот. В процессе адсорбции, проводимой, например, в адсорбере 2, происходит его заполнение воздухом, повышенного давления через патрубок 4, сопровождаемое сжатием воздуха в адсорбере 2 с выделением тепла сжатия. Одновременно с заполнением адсорбера 2 воздухом повышенного давления происходит адсорбция азота на цеолите с выделением тепла адсорбции. Выделяемое в адсорбере 2 тепло сжатия и адсорбции перемещается к патрубку 6 продуктов разделения, выходящим из адсорбера 2, в котором расположены теплопроводящие элементы 15, что приводит к разогреву последних.

В это же время в адсорбере 3 осуществляют десорбцию цеолита путем сброса отработанного газа через патрубок 5 и открытый клапан 10. Процесс десорбции сопровождается охлаждением газа и слоя цеолита, находящегося в адсорбере 3, за счет расширения газа, покидающего адсорбер 3, и за счет десорбции ранее адсорбированного азота слоем цеолита. Получаемый в адсорбере 3 холод потоком отработанного газа перемещаетcя к патрубку 5, в котором раcположены теплопроводящие элементы 18, что приводит к охлаждению последних.

Поскольку теплопроводящие элементы изготовлены из высокотеплопроводного материала и выполнены таким образом, что часть теплообменной поверхности каждого элемента (например, 15) находится в слое сорбента адсорбера 2, а другая его часть 18 находитcя в cлое cорбента адcорбера 3, то обеcпечиваетcя выcокоэффективная передача тепла из адсорбера 2 в адсорбер 3 и холода из адсорбера 3 в адсорбер 2. В результате тепло, выделяемое при адсорбции (тепло сжатия и адсорбции), полностью компенсируется холодом, выделяемым при десорбции (холод, получаемый при расширении газ и десорбции азота из слоя цеолита).

В следующем цикле, когда в адсорбере 2 осуществляют десорбцию, а в адсорбере 3 адсорбцию, теплообмен между адсорберами осуществляется элементами 16 и 17.

Использование: при разделении газов с помощью адсорбентов. Сущность изобретения: в адсорбционной установке разделения воздуха адсорберы выполнены в виде единого узла таким образом, что имеют одну общую сторону, а патрубки входа воздуха расположены на их противоположных торцах. Внутри адсорберов перпендикулярно направлению движения газовых потоков установлены теплопроводящие элементы, при этом элементы, установленные со стороны входа в адсорбер, имеют тепловой контакт с элементами другого адсорбера, установленными со стороны выхода из адсорбера. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА, включающая источник сжатого воздуха, клапаны управления газовыми потоками, заполненные сорбентом адсорберы с патрубками входа и выхода воздуха и размещенными внутри теплопроводящими элементами, отличающаяся тем, что адсорберы выполнены в виде единого узла таким образом, что имеют одну общую сторону, а патрубки входа воздуха расположены на их противоположных торцах. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплопроводящие элементы одного адсорбера, установленные со стороны входа воздуха, одновременно являются теплопроводящими элементами второго адсорбера, установленными со стороны выхода продукта разделения из этого адсорбера, а теплопроводящие элементы второго адсорбера, установленные со стороны входа воздуха, одновременно являются теплопроводящими элементами первого адсорбера, установленными со стороны выхода продукта разделения из этого адсорбера.