СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АДСОРБЦИИ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДАВЛЕНИИ И С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАКУУМА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ НАКОПЛЕНИЕМ Российский патент 2016 года по МПК B01D53/53 

Изобретение относится к способу адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, причем подлежащую разделению газовую смесь перед подачей в процесс адсорбции при переменном давлении и использовании вакуума сжимают посредством по меньшей мере одного компрессора до давления адсорбции, а регенерацию адсорбера или адсорберов осуществляют посредством по меньшей мере одного вакуумного насоса.

Кроме того, изобретение относится к устройству осуществления способа адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, имеющему по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один адсорбер и по меньшей мере один вакуумный насос.

Процессы адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, или VPSA-процессы, в достаточной степени известны из уровня техники. Они отличаются от процессов адсорбции при переменном давлении, или PSA-процессов, тем, что регенерация насыщенного адсорбера производится при давлении ниже атмосферного. Для достижения этого подлежащие регенерации адсорберы регенерируют посредством вакуумного насоса. Давление десорбции лежит обычно между 100 и 500 мбар. Адсорбция осуществляется главным образом при избыточном давлении. По этой причине, как правило, предусматривается компрессор, который сжимает подлежащую разделению газовую смесь до желаемого давления адсорбции перед подачей в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума.

Преимущества процессов адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума по сравнению с традиционными процессами адсорбции при переменном давлении состоят в том, что достигаются более высокие выходы и меньшее потребление энергии. Данные преимущества достигаются, однако, за счет того, что предусматривается вакуумный насос, результатом чего является увеличение инвестиционных затрат для VPSA- по сравнению с PSA-процессами, в частности в случае малых установок.

В ходе процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума обычно имеются технологические этапы способа, такие как этап выравнивания давления или сброса, на которых компрессор и/или вакуумный насос не являются необходимыми. В ходе данных технологических этапов способа компрессор и/или вакуумный насос, однако, продолжают эксплуатироваться в байпасном режиме, так как выключение практически невозможно вследствие краткости технологических этапов способа.

VPSA-процессы уже давно применяются для получения кислорода в так называемых установках на месте использования и отличаются весьма выгодным потреблением энергии. В случае малых установок, под которыми в данной заявке следует понимать установки с производительностью менее 100 нм³/ч, таких, которые потребовались бы, например, для обслуживания больниц, VPSA-процессы до сих пор не применялись по причине более высоких инвестиционных затрат, которые являются результатом дополнительно необходимого вакуумного насоса и повышенной потребности в адсорбирующем веществе. Под термином “больница” следует в дальнейшем понимать также мобильные больницы (скорой помощи), амбулаторные отделения, частные врачебные кабинеты, оздоровительные центры и так далее.

Инфраструктура современной больницы охватывает среди прочего обеспечение пациентов так называемым “медицинским воздухом”, обогащенным кислородом воздухом, а также чистым кислородом. Под термином “медицинский воздух” обычно понимается газовая смесь, которая имеет приблизительно 20% кислорода и приблизительно 80% азота и отвечает соответствующим техническим условиям и/или предписаниям в отношении других компонентов, таких как, например, вода и монооксид углерода. Кроме того, инфраструктура больницы содержит, как правило, систему сжатого воздуха и вакуумную систему. В случае упомянутой последней системы речь идет о системе, которая посредством вакуумных насосов и буферных емкостей поддерживает вакуум в системе трубопроводов, которая имеется в распоряжении в больнице, например в операционных залах, для всевозможных вариантов применения в целях отсасывания. Для предоставления кислорода, сжатого воздуха, а также вакуума до сих пор, как правило, используются три разные, не связанные друг с другом установки.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить способ вышеназванного рода, а также установку для адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, в котором, соответственно в которой, вышеупомянутые недостатки устраняются, и который, соответственно, которая, особенно предпочтительна для применения в больницах.

Для решения данной задачи предложен способ вышеназванного рода, отличающийся тем, что

- в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично подают на промежуточное накопление и/или направляют потребителю и/или

- в те моменты времени, когда не осуществляют регенерацию адсорбера или одного адсорбера посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов, вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов, не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно используют для другого применения.

Установка согласно изобретению отличается тем, что

- предусмотрена по меньшей мере одна первая накопительная емкость, и она соединена с компрессором или по меньшей мере с одним из компрессоров так, что в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично направляют в одну или по меньшей мере одну из первых накопительных емкостей и/или

- предусмотрена по меньшей мере одна вторая накопительная емкость и она соединена с вакуумным насосом или по меньшей мере с одним из вакуумных насосов так, что в те моменты времени, когда не осуществляют регенерацию адсорбера посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов, вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов, не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно вакуумирует накопительную емкость или по меньшей мере одну из вторых накопительных емкостей.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления способа согласно изобретению, а также установки согласно изобретению для адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, раскрывающиеся в зависимых пунктах формулы изобретения, отличаются тем, что

- подлежащая адсорбционному разделению газовая смесь представляет собой воздух,

- сжатие подлежащей адсорбционному разделению газовой смеси осуществляется посредством одно- или многоступенчатого компрессорного агрегата,

- регенерация адсорбера или адсорберов осуществляется посредством одно- или многоступенчатого вакуумного насосного агрегата,

- по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично промежуточно накопленную, сжатую смесь подают в адсорбер, находящийся в фазе адсорбции, причем подачу осуществляют предпочтительно при превышении регулируемого значения давления в накопительной установке, применяемой для промежуточного накопления, и

- в том случае, если вакуумный насос, применяемый для регенерации адсорбера или адсорберов, по меньшей мере временно соединен с подлежащей вакуумированию накопительной емкостью, по меньшей мере временно подлежащая вакуумированию емкость соединяется с адсорбером, находящимся в фазе десорбции, причем данное соединение осуществляется предпочтительно при снижении давления в накопительной емкости ниже регулируемого значения.

Способ согласно изобретению, установка согласно изобретению, а также дополнительные предпочтительные варианты осуществления способа, соответственно установки, пояснены более подробно ниже на примере осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 1.

На чертеже изображены два расположенных параллельно друг другу адсорбера A и A', которые со смещением во времени находятся в фазах адсорбции и десорбции. Способ согласно изобретению принципиально также может быть реализован также с одним либо более чем с двумя адсорберами. Ради наглядности винтили адсорбера, непосредственно подключенные перед и за адсорберами, функции которых общеизвестны специалисту, не изображены на Фиг. 1. VPSA-установка согласно изобретению имеет дополнительно компрессорный агрегат C, вакуумный насосный агрегат V, три накопительные емкости S1-S3, а также вентили, а именно обратные клапаны a и b.

Способ согласно изобретению пояснен ниже посредством адсорбционного разделения воздуха с получением богатого кислородом потока. По линии 1 воздух подают в одно- или многоступенчатый компрессорный агрегат C и в нем сжимают до желаемого давления адсорбции. Затем сжатый поток воздуха по линии 1' подают в тот из обоих адсорберов A, соответственно A', который находится в фазе адсорбции. Из верхней части адсорбера A, соответственно A', находящегося в фазе адсорбции, по линии 2 отводят богатый кислородом поток и при необходимости промежуточно накапливают его в S2. Из накопительной емкости S2 богатый кислородом поток может быть отобран по линии 2' и подан для его дальнейшего использования.

В случае регенерации адсорбера, насыщенного в фазе адсорбции, его соединяют по линии 3 с вакуумным насосным агрегатом V. Посредством вакуумного насосного агрегата V осуществляют регенерацию насыщенного адсорбера при желаемом, более низком, чем атмосферное, давлении десорбции. Газовую смесь, отведенную во время регенерации из подлежащего регенерации адсорбера, отводят по линии 4 и при необходимости подают для ее дальнейшего использования.

Во время тех технологических этапов VPSA-процесса, на которых в адсорбер не подают подлежащую обработке газовую смесь, согласно изобретению, в это же время компрессорный агрегат C соединяют по линии 5 с первой накопительной емкостью, соответственно накопителем S1 сжатого воздуха. В линии 5 предусмотрен обратный клапан a, который при достижении определенного давления открывается и тем самым предоставляет доступ в накопитель S1 сжатого воздуха. Давление, требуемое для открытия обратного клапана a, достигается тем, что расположенные перед адсорберами A и A' вентили адсорбера закрыты. Отбор сжатого потока воздуха из накопителя S1 сжатого воздуха осуществляют по линии 6. Альтернативно или дополнительно к промежуточному накоплению поток воздуха, сжатый посредством компрессора C, может быть также подан непосредственно потребителю (сжатого воздуха).

Если соединение между адсорбером и вакуумным насосным агрегатом V прерывается за счет закрытия соответствующего вентиля адсорбера, предусмотренный в линии 8 обратный клапан b открывается, так что посредством вакуумного насосного агрегата V по линиям 4 и 8 осуществляют вакуумирование третьей накопительной емкости, а именно вакуумного буфера S3. Наполнение емкости S3 осуществляется по линии 7.

Давление в первой накопительной емкости, а именно в накопителе S1 сжатого воздуха, лежит предпочтительно выше максимального давления адсорбции, тогда как давление в третьей накопительной емкости, а именно вакуумном буфере S3, лежит ниже минимального давления десорбции.

Вместо изображенных на Фиг. 1 обратных клапанов a и b может быть использован любой альтернативный механизм, который в подходящий и/или желаемый промежуток времени производит соединение между первой накопительной емкостью, а именно накопителем S1 сжатого воздуха, и компрессором C, а также между третьей накопительной емкостью, а именно вакуумным буфером S3, и вакуумным насосом V. Лишь для примера названы переключающие вентили, которыми управляют путем регуляции VPSA-процесса или посредством измерения разности давлений.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления способа согласно изобретению отличается тем, что по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично промежуточно накопленную, сжатую газовую смесь подают в адсорбер, находящийся в фазе адсорбции, причем подачу осуществляют предпочтительно при превышении регулируемого значения давления в накопительной емкости S1, применяемой для промежуточного накопления. В случае слишком малого отбора сжатого воздуха давление в накопителе S1 сжатого воздуха повышается. При превышении определенного значения давления, например 8 бар, подают в подходящий момент времени, в таком случае сжатый воздух из накопителя S1 сжатого воздуха в находящийся в фазе адсорбции адсорбер A, соответственно A'. Тем самым увеличивается производительность VPSA-процесса, так как в наличии имеется больше впускного газа. Кроме того, может быть предотвращено излишне высокое потребление энергии компрессором и/или достижение неприемлемо высокого давления в накопителе S1 сжатого воздуха.

Если вакуумный насос, применяемый для регенерации адсорбера или адсорберов, по меньшей мере временно соединен с подлежащей вакуумированию накопительной емкостью, то согласно одному дополнительному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению по меньшей мере временно подлежащая вакуумированию емкость соединяется с адсорбером, находящимся в фазе десорбции, причем данное соединение осуществляется предпочтительно при снижении давления в накопительной емкости ниже регулируемого значения. В случае слишком малой потребности в вакууме давление в вакуумном буфере S3 снижается. При снижении ниже определенного давления, например 200 мбар, вакуумный буфер S3 в подходящий момент времени, непосредственно в обход обратного клапана b или эквивалентного устройства, может соединяться со стороной регенерационного газа адсорбера, находящегося в фазе десорбции. Тем самым повышается производительность VPSA-процесса, так как регенерация осуществляется эффективнее. Наряду с этим может быть предотвращено излишне высокое потребление энергии вакуумным насосом и/или снижение ниже неприемлемо низкого давления в вакуумном буфере S3.

Посредством способа согласно изобретению может быть произведен кислород, например, с чистотой 93% при производительности, равной 25 нм³/ч; одновременно может быть произведено 30 нм³/ч сжатого воздуха и предоставлена вакуумирующая мощность всасывания, равная 26 м³/ч.

Посредством способа согласно изобретению компрессор и вакуумный(е) насос(ы), которые необходимы для VPSA-процесса, могут быть дополнительно использованы для выработки сжатого воздуха и вакуума. Для этого используются неизбежно возникающие времена простоя данных машин. Благодаря этому компрессор и вакуумный(е) насос(ы) эффективнее используются и, по сравнению с уровнем техники, нет необходимости в тех отдельных машинах, которые в ином случае должны быть предусмотрены для производства сжатого воздуха и вакуума.

Как уже упомянуто, компрессор и вакуумный(е) насос(ы), если они во время определенных технологических этапов способа не используются, работают в ранее известных установках в байпасном режиме. Однако этот режим требует дополнительной системы трубопровода с линиями и клапанами байпасных линий, от которых в настоящем изобретении можно отказаться.

Посредством подходящего задания размеров машин, а также адсорберов способ согласно изобретению, а также установка согласно изобретению могут быть адаптированы к соответствующей потребности в продукте, или соответственно кислороде, сжатом воздухе и/или вакууме. Кроме того, способ согласно изобретению может быть использован для получения сжатого воздуха и/или вакуума в моменты времени, когда небольшой отбор продукта, или соответственно кислорода, усиливается. В данном случае этапы процесса, или соответственно этапы способа осуществления VPSA-процесса, предпочтительно соответственным образом удлиняются.

Способ согласно изобретению, а также установка согласно изобретению для адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, в частности, подходят для применения в больницах, так как они предоставляют возможность обеспечения кислородом, сжатым воздухом и вакуумом посредством одного единственного процесса, или соответственно единственной установки. В принципе, изобретение может находить применение также в любых производственных помещениях и (крупных) установках.

Заявлены способ и устройство адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и использовании вакуума, причем подлежащую разделению газовую смесь перед подачей в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума сжимают посредством по меньшей мере одного компрессора до давления адсорбции, а регенерацию адсорбера или адсорберов осуществляют посредством по меньшей мере одного вакуумного насоса. Согласно изобретению, в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично подают на промежуточное накопление и/или направляют потребителю и/или в то время, когда не осуществляют регенерацию адсорбера посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов, вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов, не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно используют для другого применения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, причем подлежащую разделению газовую смесь перед подачей в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума сжимают посредством по меньшей мере одного компрессора до давления адсорбции, а регенерацию адсорбера или адсорберов осуществляют посредством по меньшей мере одного вакуумного насоса, отличающийся тем, что
- в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь (1, 5, 6) по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично подают на промежуточное накопление (S1), и/или направляют потребителю, и/или
- в те моменты времени, когда не осуществляют регенерацию адсорбера (A, A') посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов (V), вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов (P), не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно используют для другого применения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подлежащая адсорбционному разделению газовая смесь представляет собой воздух.

3. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что сжатие подлежащей адсорбционному разделению газовой смеси осуществляется посредством одно- или многоступенчатого компрессорного агрегата (C).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регенерацию адсорбера или адсорберов (A, A') осуществляют посредством одно- или многоступенчатого вакуумного насосного агрегата (V).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично промежуточно накопленную, сжатую смесь (S1) подают в адсорбер (A, A'), находящийся в фазе адсорбции, причем подачу осуществляют предпочтительно при превышении регулируемого значения давления в накопительной установке (S1), применяемой для промежуточного накопления.

6. Способ по любому из пп. 1-5, причем вакуумный насос (V), применяемый для регенерации адсорбера или адсорберов (A, A'), по меньшей мере временно соединяют с подлежащей вакуумированию накопительной емкостью (S3), отличающийся тем, что по меньшей мере временно подлежащую вакуумированию накопительную емкость (S3) соединяют с адсорбером (A, A'), находящимся в фазе десорбции, причем данное соединение осуществляют предпочтительно при снижении давления в накопительной емкости (S3) ниже регулируемого значения.

7. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-6, имеющее по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один адсорбер и по меньшей мере один вакуумный насос, отличающееся тем, что
- предусмотрена по меньшей мере одна первая накопительная емкость (S1), и она соединена с компрессором или по меньшей мере с одним из компрессоров (C) так, что в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь (1, 5, 6) по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично направляют в накопительную емкость или по меньшей мере одну из первых накопительных емкостей (S1) и/или
- предусмотрена по меньшей мере одна вторая накопительная емкость (S3), и она соединена с вакуумным насосом или по меньшей мере с одним из вакуумных насосов (V) так, что в те моменты времени, когда не осуществляют регенерацию адсорбера (A, A') посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов (V), вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов (P), не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно вакуумирует накопительную емкость или по меньшей мере одну из вторых накопительных емкостей (S3).

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что компрессорный агрегат (C) и/или вакуумный насосный агрегат (V) сконструированы одно- или многоступенчатым.