АДСОРБЦИОННЫЙ КОНЦЕНТРАТОР Российский патент 1998 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к адсорбционным концентраторам для получения обогащенных газов и может быть применена как в химической, так и в металлургической и газовой промышленностях для осушки и очистки, а также извлечения различных газов, таких как кислород, азот, водород, гелий и пр. а также в нефтеперерабатывающей промышленности для разделения бензиновых и керосиновых фракций и т.д.

Известны адсорбционные концентраторы [1] содержащие адсорберы, заполненные цеолитами или молекулярно-ситовыми активными углями, и набор вентилей с системой управления, обеспечивающих заданный технологический режим с циклами адсорбции и десорбции.

Основным недостатком такого концентратора является низкая надежность набора вентилей, имеющих большое количество подвижных элементов, сбои в работе которых приводят к нарушениям технологического процесса и системы управления, сложность которой ухудшает надежностные характеристики концентраторов.

Децентрализованное расположение вентилей, а следовательно, наличие большого числа соединительных трубопроводов, усложняет их ремонт и эксплуатацию, что, соответственно, ухудшает эксплуатационные характеристики концентратора.

Известен также адсорбционный концентратор [2] принятый нами за прототип, состоящий из двух адсорберов, блока очистки, ресивера, и набора вентилей газовых, продукционных, сбросных и перепускных а также системы управления этими вентилями, реализующей технологическую циклограмму с двумя полупериодами адсорбционно-десорбционного процесса и перепуском, имеющей цепи управления.

Основным недостатком этого концентратора является низкая надежность набора вентилей, имеющих большое количество подвижных элементов, сбои в работе которых приводят к нарушениям технологического процесса (ухудшается концентрация выходного продукта или отказывает весь концентратор).

Другим недостатком является необходимость искусственного исключения совпадения работы определенных вентилей, для этого известная система управления должна вырабатывать сигнал "мертвого" интервала времени, при котором все вентили должны быть закрыты. В этот промежуток времени концентратор прекращает работу и снижается его производительность. Кроме того, наличие дополнительной функции (выработка сигнала "мертвого" интервала времени) усложняет систему управления.

Наконец, децентрализованное расположение вентилей, а следовательно, наличие большого числа соединительных трубопроводов, усложняет их ремонт и эксплуатацию, что, соответственно, ухудшает эксплуатационные характеристики концентратора.

Основной задачей изобретения является повышение производительности, надежности, упрощение технологической схемы и системы управления адсорбционного концентратора.

Эта задача решается благодаря тому, что в адсорбционном концентраторе содержащем два адсорбера, блок очистки входящего газа, ресивер, газовые, продукционные, сбросные, перепускные вентили и систему управления этими вентилями, два газовых, два сбросных и один перепускной вентили выполнены в виде одного семилинейного трехпозиционного вентиля, вход которого соединен с блоком очистки, газовый канал и канал перепуска соединены на выходе попарно, причем каждая пара соединена с входом одного из адсорберов, а два сбросных канала, расположенных со стороны входа семилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с атмосферой, при этом два продукционных и второй перепускной вентили выполнены в виде пятилинейного трехпозиционного вентиля с нормально открытыми связанными выходами, вход которого заглушен, выходы из адсорберов соединены с каналами перепуска два продукционных канала, расположенных со стороны входа пятилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с входом ресивера, а система управления выполнена с двумя управляющими цепями.

Благодаря такому исполнению уменьшается число подвижных элементов вентилей, (вместо восьми их становится два), что приводит к повышению надежности набора вентилей. При этом технологический процесс не нарушается и концентрация выходного продукта не ухудшается. Кроме того, отпадает необходимость в искусственном исключении совпадения работы определенных вентилей, так как переключения выполняются жестко одним подвижным элементом семилинейного трехпозиционного вентиля или одним подвижным элементом пятилинейного трехпозиционного вентиля, следовательно, производительность концентратора увеличивается, а система управления упрощается, так как она вырабатывает единственную последовательность полупериодов адсорбции-десорбции через интервалы времени, равные перепуску (без дополнительных сигналов "мертвого" времени).

Адсорбционный концентратор содержит минимальное число соединительных трубопроводов. Значительно упрощен поиск неисправных и замена вышедших из строя вентилей (замена одного неисправного семилинейного трехпозиционного вентиля тождественна замене пяти двухлинейных двухпозиционных вентилей),
На фиг.1 изображена технологическая схема адсорбционного концентратора; на фиг.2 циклограмма работы адсорбционного концентратора.

Адсорбционный концентратор (см.фиг.1) содержит блок очистки 1 с входом 2 и выходом 3 очищенного газа, соединенный посредством семилинейного трехпозиционного вентиля 4 с входами 5 и 6 адсорберов 7 и 8, выходы 9 и 10 которых, соответственно, соединены посредством пятилинейного трехпозиционного вентиля 11 с входом продукционного газа 12 в ресивер 13,
Адсорберы 7 и 8 заполнены цеолитом 14, например, NaX; каждый адсорбер имеет входной 15 и выходной 16 фильтры для улавливания цеолитовой пыли, уносимой с газом и защиты вентилей.

Семилинейный 4 и пятилинейный 11 вентили имеют систему с двумя цепями управления 17: цепь 18 и цепь 19, показанными на фиг.1 пунктиром, которые служат для подачи сигналов переключения вентилей в левое или правое положение. Семилинейный вентиль 4 выполнен трехпозиционным и имеет вход 20 и шесть выходов 21, 22, 23, 24, 25 и 26. Симметричный вход 20 семилинейного вентиля 4 соединен с выходом 3 блока очистки 1, а четыре выхода 21, 22, 23, 24 попарно объединены и соединены с входами 5 и 6 в адсорберы 7 и 8: пара 21 и 22 с входом 5 адсорбера 7, а пара 23 и 24 с выходом 6 адсорбера 8: два противоположных выхода 25 и 26 соединены с атмосферой.

Перепускной вентиль реализуется вентилем 4 канала перепуска 22-23. Если вентиль 4 переключается вправо, то сбросной вентиль реализуется каналом сброса 21-25, а газовый вентиль каналом 3-24. Если вентиль 4 переключается влево, то сбросной вентиль реализуется каналом сброса 24-26, а газовый вентиль каналом 3-21.

Пятилинейный вентиль 11 также выполнен трехпозиционным и имеет симметричный вход 27, который заглушен, и выходы 28, 29, 30, 31. Выходы 28 и 29 соединены, соответственно, с выходами 9 и 10 адсорберов 7 и 8; а другие выходы 30 и 31 соединены с входом 12 ресивера 13. Ресивер 13 сбора продукционного газа для увеличения емкости по газу заполнен цеолитом 32.

Второй перепускной вентиль реализуется вентилем 11 канала перепуска 28-29. Если вентиль 11 переключается вправо, то продукционный вентиль реализуется продукционным каналом 28-30. Если вентиль 11 переключается влево, то продукционный вентиль реализуется продукционным каналом 29-31.

На фиг. 2 представлена циклограмма работы адсорбционного концентратора. Заштрихованные прямоугольники 33 означают присутствие сигналов в цепях (18 и 19), а незаштрихованные прямоугольники 34 отсутствие сигнала в этих цепях, Прямоугольник 35 показанный пунктиром, это чисто виртуальный, существующий только в воображении, сигнал перепуска.

Время присутствия сигнала на семилинейном 4 и пятилинейном 11 вентилях одинаково.

Адсорбционный концентратор работает следующим образом.

Технологическим циклом предусмотрено сжатие газа, поступающего на обработку (на фиг. 1 не показано). Сжатый газ, например, воздух подается на вход 2 блока очистки 1, где очищается от механических примесей, капельной влаги и масла и через выход 3 поступает на вход 20 семилинейного трехпозиционного вентиля 4, который в этот момент занимает нейтральное положение.

Система управления 17 формирует управляющий сигнал в цепи (18), вентиль 4 переключается в левое положение, а вентиль 11 в правое. Рабочий газ (воздух) через выход 21 вентиля 4 поступает на вход 5 адсорбера 7, а далее через фильтр 15 в адсорбер 7, где в течение времени, определяемом циклом, идет процесс адсорбции газа (воздуха), который соответствует времени присутствия сигнала в цепи (18). Пройдя адсорбер 7 и фильтр 16 уже продукционный газ (воздух с повышенным содержанием кислорода) через выход 9 поступает на вентиль 11 (в вентиле выход 28 в этот промежуток времени соединен с выходом 30) и далее на вход 12 ресивера 13 сбора продукционного газа.

Пока в левом адсорбере 7 идет процесс адсорбции в правом адсорбере 8 одновременно идет процесс десорбции.

Газ через вход 6 адсорбера 8 в обратном направлении поступает в вентиль 4 (выход 24 в этот момент соединен с выходом 26) и через выходы 24, а затем 26 сбрасывается в атмосферу.

Такой процесс (см. фиг. 2) длится около 45 -50 с. Длительность времени определяется технологической схемой и типом адсорбента.

Через определенный промежуток времени, например, 45 с, система управления 17 прекращает подачу сигнала в цепь 18. Вентили 4 и 11 переключаются (возвращаются) в нейтральное положение. В семилинейном вентиле 4 в этот момент соединены выходы 22 и 23 (канал перепуска), а в пятилинейном вентиле 11
выходы 28 и 29 (второй канал перепуска). Выход 9 адсорбера 7 через вентиль 11 соединен с выходом 10 адсорбера 8, а вход 5 адсорбера 7 через вентиль 4 соединен с входом 6 адсорбера 8. Идет процесс выравнивания давления в обоих адсорберах (перепуск), который длится, например, 5 с.

Через 5 с появляется управляющий сигнал в цепи 19 (см.фиг.1 и фиг.2), который также одновременно переключает оба вентиля 4 в правое положение, а 11 в левое. Правый адсорбер работает в режиме адсорбции: блок очистки 1 - выход 3 вход 20, выход 24 вентиля 4 вход 6 фильтр 15 адсорбер 8 - фильтр 16 выход 10 выход 29, выход 31 вентиля 11 вход 12 ресивера 32; а левый в режиме десорбции: газ из адсорбера 7 через фильтр 15, вход 5 и вентиль 4 (выход 21 соединен с выходом 25), осуществляется сброс в атмосферу.

Данный цикл повторяется. Как показано на циклограмме (фиг.2) время адсорбции равно времени десорбции. Так, например, в кислородном концентраторе определенной мощности, где рабочим газом является атмосферный воздух, для цеолита NaX время адсорбции (десорбции) приблизительно равно 45 с, а время перепуска 5 с, а в азотном концентраторе, с использованием активных углей, время адсорбции (десорбции) составляет около 49 с, а время перепуска 2 с.

Как видно из описанного, значительно упрощена работа всего технологического цикла, в котором участвуют только два вентиля семилинейный (это практически нормально закрытый пятилинейный и нормально открытый двухлинейный) и нормально открытый пятилинейный, являющиеся исключительно простыми в эксплуатации.

Таким образом, введение в технологическую схему адсорбционного концентратора семилинейного и пятилинейного трехпозиционных вентилей с соответствующими связями позволило повысить производительность концентратора на 12-15% надежность в 2 раза, уменьшить стоимость трубопроводной разводки технологической схемы в 10 раз, упростить систему управления на 30%

Использование: в химической, металлургической и газовой промышленностях для осушки и очистки, а также извлечения различных газов, таких как кислород, азот, водород, гелий и пр., а также в нефтеперерабатывающей промышленности для разделения бензиновых и керосиновых фракций и т.д. Сущность изобретения: адсорбционный концентратор, содержащий два адсорбера, блок очистки входящего газа, ресивер; два газовых, два сбросных и один перепускной вентили выполнены в виде одного семилинейного трехпозиционного вентиля, вход которого соединен с блоком очистки, четыре выхода объединены попарно и каждая пара, включающая газовый канал и канал перепуска, соединена с входом одного из адсорберов, а два сбросных канала, расположенных со стороны входа семилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с атмосферой, при этом два продукционных и второй перепускной вентили выполнены в виде пятилинейного трехпозиционного вентиля с нормально открытыми связанными выходами, вход которого заглушен, выходы из адсорберов соединены с каналами перепуска, два продукционных канала, расположенных со стороны входа пятилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с входом ресивера, а система управления этими вентилями выполнена с двумя управляющими цепями. 2 ил.

Адсорбционный концентратор, содержащий два адсорбера, блок очистки входящего газа, ресивер, газовые, продукционные, сбросные, перепускные вентили и систему управления этими вентилями, отличающийся тем, что два газовых, два сбросных и один перепускной вентили выполнены в виде одного семилинейного трехпозиционного вентиля, вход которого соединен с блоком очистки, четыре выхода объединены попарно и каждая пара, включающая газовый канал и канал перепуска, соединена с входом одного из адсорберов, а два сбросных канала, расположенных со стороны входа семилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с атмосферой, при этом два продукционных и второй перепускной вентили выполнены в виде пятилинейного трехпозиционного вентиля с нормально открытыми связанными выходами, вход которого заглушен, выходы из адсорберов соединены с каналами перепуска, два продукционных канала, расположенных со стороны входа пятилинейного трехпозиционного вентиля, соединены с входом ресивера, а система управления выполнена с двумя управляющими цепями.