КОНЦЕНТРАТОР КИСЛОРОДА Российский патент 1998 года по МПК B01D53/04 G05D27/00 

Изобретение относится к технологии разделения газовых смесей, в частности к средствам короткоциклового безнагревного адсорбционного разделения воздуха с получением обогащенной кислородом фракции, которая может использоваться в установках газовой сварки, в медицине и биологии.

Известна и установка для адсорбционного разделения воздуха, содержащая компрессор, три адсорбера, группу управляемых вентилей и выходную емкость для сбора газа (заявка Франции N 2653355, B 01 D 53/04, 1990).

Однако наличие трех адсорберов усложняет конструкцию установки.

В патенте Великобритании N 2227685 B 01 D 53/04, 1989) описана установка для адсорбционного разделения воздуха, содержащая компрессор, емкость для отработанного газа, два адсорбера и группу управляемых вентилей, соединяющих верхние и нижние части адсорберов.

К недостаткам известной установки также относятся сложность конструкции, обусловленная большим числом вентилей.

Наиболее близким к предложенному является концентратор кислорода, содержащий компрессор, выход которого соединен через ресивер с входом пневмораспределителя, выводы которого подключены соответственно к входам первого и второго адсорберов, выходы которых подключены к выводам дросселя и входам емкости для сбора кислорода, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами пневмораспределителя и нормально закрытого пневмоклапана, подключенного к адсорберам (см. патент РФ N 2060796, B 01 D 53/04, 1994).

Однако и этому устройству свойствен ряд недостатков. Так, концентрация кислорода на выходе установки составляет не более 50-60% даже при минимальной производительности. Кроме того, высота адсорберов значительна, что делает устройство весьма громоздким. Дополнительному снижению производительности способствует неэффективное использование сорбента (цеолита) и скопление в нижней части адсорберов влаги, которая при открывании нормально закрытого пневмоклапана попадает в соседний адсорбер.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение производительности концентратора кислорода при одновременном снижении его габаритов.

Указанный результат достигается тем, что в известном концентраторе кислорода, содержащем компрессор, выход которого соединен через ресивер с входом пневмораспределителя, выводы которого подключены соответственно к входам первого и второго адсорберов, выходы которых подключены к выводам дросселя и входам емкости для сбора кислорода, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами пневмораспределителя и нормально закрытого пневмоклапана, подключенного к адсорберам, эффективную высоту адсорберов выбирают из соотношений
,
h_эфф = 20 r;
Q^K ≥ 25Q;
P₁ > P₂,
где
Q^K - расход воздуха на выходе компрессора, л/мин;
h_эфф - эффективная высота адсорберов, дм;
Q - заданная производительность концентратора кислорода, л/мин;
α - коэффициент, зависящий от природы сорбента и изменяющийся в пределах от 0,048 до 0,058;
P₁ - избыточное давление на выходе компрессора, ати;
P₂ - избыточное давление на выходе адсорбера, ати;
r - радиус адсорбера, дм;
C - заданная концентрация кислорода на выходе адсорбера, об.%;
к₁ и к₂ - показатели степени, удовлетворяющие неравенствам
0,41 < к₁ < 0,58
-0,37 < к₂ < -0,26,
Кроме того, дроссель может быть выполнен регулируемым.

Целесообразно также адсорбер выполнить в виде полого цилиндрического корпуса и полой вставки с односторонне расположенными патрубками, заполненных сорбентом, при этом площади оснований корпуса и вставки должны удовлетворять одному из следующих условий: 2S_вст. ≥ S_корп. при подключении патрубков вставки и корпуса соответственно к входу и выходу адсорбера, 2S_вст. ≤ S_корп. при подключении патрубков вставки и корпуса соответственно к выходу и входу адсорбера, где S_вст. - площадь удаленного от патрубка основания вставки, S_корп. - площадь основания корпуса.

Рекомендуется также выполнить вставку конической.

При этом угол при вершине конуса лежит в диапазоне 4,5-5,5^o, а 2S_вст. = S_корп..

И наконец, адсорберы могут быть выполнены с промежуточными выводами, которые соединены с соответствующими выводами нормально закрытого пневмоклапана.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого концентратора кислорода, а на фиг. 2 - временная диаграмма его работы. Фиг. 3-5 иллюстрируют варианты конструкции адсорберов, а на фиг. 6 показано соединение их промежуточных выводов с помощью закрытого пневмоклапана.

Концентратор содержит (фиг. 1) адсорберы (адсорбционные колонки) 1, 2, компрессор 3, ресивер 4, емкость 5 для кислорода, регулируемый дроссель 6, пневмораспределитель 7, нормально закрытый пневмоклапан 8 и блок 9 управления.

Как показано на фиг. 1, компрессор 3 подключен к адсорберам 1, 2 через ресивер 4 и пневмораспределитель 7, между входами адсорберов 1, 2 установлен пневмоклапан 8, а емкость 5 подключена к выходам адсорберов 1, 2.

Адсорберы 1, 2 выполнены в виде цилиндрического корпуса 9 с патрубком 10 (фиг. 3-5) и вставки 11 с патрубком 12. Полости корпуса 9 и вставки 11 заполнены цеолитом. Промежуточный вывод адсорбера образован патрубком 13 (фиг. 5). Патрубки 13 адсорберов 1,2 соединяются с патрубками 14 выводов пневмоклапана 7 (фиг. 6).

Устройство работает следующим образом. В течение времени T1 компрессор 3 через ресивер 4 и пневмораспределитель 7 нагнетает воздух в полость адсорбера 1 (фиг. 1, 2). Вход адсорбера 2 соединен с атмосферой, компрессор 3 от входа адсорбера отсоединен. Пневмоклапан 8 закрыт. Сорбент, находящийся в полости адсорбера 1, поглощает азот, и обогащенный кислородом воздух поступает через обратный клапан (не показан) в емкость 5. По окончании интервала T1 блок 9 через пневмораспределитель 7 перекрывает вход адсорбера 1 и открывает пневмоклапан 8. В течение интервала T2 происходит выравнивание давления в адсорберах 1,2 с целью экономии электрической энергии при работе компрессора, затем на время T1 открывается вход адсорбера 2 и наполнение емкости 5 кислородом возобновляется. В это время вход адсорбера 1 соединен через пневмораспределитель 7 с атмосферой, так что в течение последующего интервала T1 происходит регенерация сорбента в адсорбере 1.

В качестве сорбента могут использоваться соединения NaA, NaX, CaA, CaX.

Под входами и выходами соответствующих элементов понимаются их входные и выходные штуцеры, патрубки.

Выполнение пневмораспределителя 7, нормально закрытого клапана 8 и блока 9 определяется описанным алгоритмом работы устройства и производится в соответствии с известными источниками информации. Например, пневмораспределитель 7 можно выполнить в виде четырех управляемых вентилей, а блок 9 - в виде последовательно соединенных генератора импульсов, счетчика и дешифратора с тремя выходами, первые два из которых подключены к соответствующим управляющим входам первых двух вентилей пневмораспределителя 7. Дешифратор реализует диаграмму, показанную на фиг. 2: на первых двух выходах дешифратора присутствуют первый и второй сигналы по фиг. 2, так что в течение интервала T2 закрыты оба вентиля пневмораспределителя 7. Третий выход дешифратора подключен к управляющему входу пневмоклапана 8, так что в течение интервала T2 он открыт. Введение в пневмораспределитель еще двух вентилей, соединяющих входы адсорберов с атмосферой и работающих в противофазе с первой парой вентилей (с этой целью управляющие сигналы подаются на третий и четвертый вентили с тех же выходов дешифратора, но через инвертор), позволит обогащенному кислородом воздуху с выхода работающего адсорбера 1 (2) попасть через пневмодроссель 6 на выход регенерируемого адсорбера 2 (1).

Дроссель 6 выполняется регулируемым с целью достижения максимальной производительности концентратора путем выбора оптимального соотношения между потоками, поступающими в емкость 5 и на выход регенерируемого адсорбера 1 (2).

Под эффективной высотой адсорбера понимается высота цилиндрического адсорбера, выполненного без вставки, или удвоенная высота корпуса 9 адсорбера, выполненного со вставкой 11 (фиг. 3-5). Это означает, что наличие вставки 11 позволяет в два раза снизить габариты устройства.

Более эффективная работа сорбента достигается, когда сечение, по которому проходит поток от входного к выходному патрубкам адсорбера, уменьшается ступенчато (при цилиндрической вставке) или непрерывно (при конической вставке).

Поскольку воздух, поступающий в адсорберы 1, 2 (фиг. 1), содержит влагу, последняя скапливается в нижних частях адсорберов 1, 2, кроме того, в нижних частях адсорберов наибольшая концентрация сорбированного цеолитом азота. Поэтому при соединении их нижних частей пневмоклапаном 8 имеет место перекачивание воды и воздуха, обогащенного азотом, из одного адсорбера в другой, что снижает производительность концентратора. В связи с этим адсорберы 1, 2 выполняются с выводами 13 (фиг. 5), расположенными на половине эффективной высоты колонок адсорберов 1, 2 (фиг. 5, 6).

Проведенные испытания показали, что производительность предлагаемого концентратора на 30-35%, а предельная концентрация кислорода на 6-8% выше, чем у известного, что достигается выбором параметров концентратора в соответствии с вышеприведенным соотношением. Выбор отдельных параметров в вышеуказанных пределах производится экспериментально, путем подбора исходя из достижения максимальной производительности концентратора и повышения концентрации кислорода на его выходе.

Концентратор кислорода предназначен для разделения воздуха с получением обогащенной кислородом фракции. Концентратор кислорода содержит компрессор, пневмораспределитель и два адсорбера. Выходы адсорберов подключены к выводам дросселя и входам емкости для сбора кислорода. Концентратор содержит также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами пневмораспределителя и нормально закрытого пневмоклапана. При этом эффективная высота адсорберов выбрана из соотношений

h_эфф - 20 r,
Q^к ≥ 25Q,
P₁ > P₂,
где Q^к - расход воздуха на выходе компрессора, л/мин, h_эфф - эффективная высота адсорберов, дм, Q - заданная производительность концентратора кислорода, л/мин, α - коэффициент, зависящий от природы сорбента и изменяющийся в пределах от 0,048 до 0,058, P₁ - избыточное давление на выходе компрессора, ати, P₂ - избыточное давление на выходе адсорбера, ати, r - радиус адсорбера, дм, C - заданная концентрация кислорода на выходе адсорбера, об. %, к₁ и к₂ - показатели степени, удовлетворяющие неравенствам 0,41 < к₁ < 0,58, -0,37 < к₂ < -0,26. Изобретение позволяет повысить производительность концентратора при одновременном снижении его габаритов. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Концентратор кислорода, содержащий компрессор, выход которого соединен через ресивер с входом пневмораспределителя, выходы которого подключены к входам первого и второго соответствующих адсорберов, выходы которых поключены соответственно к выводам дросселя и входам емкости для сбора кислорода, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами пневмораспределителя и нормально закрытого пневмоклапана, подключенного к адсорберам, отличающийся тем, что эффективная высота адсорберов выбрана из соотношений

h_эфф = 20r;
Q^к ≥ 25Q;
P₁ > P₂,
где Q^к - расход воздуха на выходе компрессора, л/мин;
h_эфф - эффективная высота адсорберов, дм;
Q - заданная производительность концентратора кислорода, л/мин;
α - коэффициент, зависящий от природы сорбента и изменяющийся в пределах от 0,048 до 0,058;
P₁ - избыточное давление на выходе компрессора, ати;
Р₂ - избыточное давление на выходе адсорбера, ати;
r - радиус адсорбера, дм;
С - заданная концентрация кислорода на выходе адсорбера, об.%:
к₁ и к₂ - показатели степени, удовлетворяющие неравенствам:
0,41 < к₁ < 0,58;
-0,37 < к₂ < -2,26. 2. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что дроссель выполнен регулируемым. 3. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что каждый адсорбер выполнен в виде полого цилиндрического корпуса и полой вставки, заполненных сорбентом, с односторонне расположенными патрубками, при этом площади оснований корпуса и вставки должны удовлетворять условию 2S_вст. ≥ S_корп. при подключении патрубков вставки и корпуса соответственно к входу и выходу адсорбера, где S_вст - площадь удаленного от патрубка основания вставки; S_корп - площадь основания корпуса. 4. Концентратор по п.3, отличающийся тем, что вставка выполнена конической. 5. Концентратор по п.4, отличающийся тем, что угол при вершине конуса лежит в диапазоне 4,5 - 5,5^o, а 2S_вст. = S_корп.. 6. Концентратор по п. 1, отличающийся тем, что адсорберы выполнены с промежуточными выводами, которые соединены с соответствующими выводами нормально закрытого пневмоклапана.