СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ПОСРЕДСТВОМ VPSA Российский патент 2019 года по МПК B01D53/47 

Настоящее изобретение относится к способу получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающему использование установки VPSA-типа.

Получение кислорода из атмосферного воздуха с помощью установок PSA-типа получило значительное распространение в последние десятилетия. Улучшения относились к адсорбентам, технологии и самому способу.

В отношении адсорбентов в наиболее эффективных установках в пределах одного и того же адсорбера в настоящее время применяют первый слой, предназначенный для задерживания влаги воздуха и по меньшей мере частично диоксида углерода. Как правило, это касается активированного оксида алюминия или легированного активированного оксида алюминия, который способствует адсорбции CO₂. В случае особенно загрязненного воздуха по меньшей мере часть активированного оксида алюминия может быть заменена более устойчивым силикагелем.

Связывание азота предпочтительно осуществляется на цеолите LiLSX-типа, необязательно имеющем предслой цеолита X-типа, предназначенный для связывания остаточного CO₂ и начала адсорбции азота. В последовательных слоях можно применять некоторые типы LiLSX, в большей или меньшей степени замещенные литием, например, и оптимизированные в зависимости от парциального давления азота в подстилающем слое. Предпочтительно адсорбент с высокой поглощающей способностью будет предпочтителен в зоне, насыщенной азотом в конце фазы получения, при этом адсорбент с высокой константой Генри будет предпочтителен в зоне массопереноса, учитывая при этом тепловые эффекты, соответствующие данному выбору.

Диаметры (или эквивалентные диаметры в случае адсорбента в форме стержня), как правило, составляют от 0,5 до 2 мм. Выбранный размер зависит от длительности задействованного цикла и представляет собой компромисс между кинетикой и значениями потери давления.

Предлагаемый в данном документе способ изначально основан на применении упомянутых выше адсорбентов, но не ограничен их применением. В частности, в случае установок, предусматривающих невысокие значения продолжительности цикла, например, менее 15 секунд, или использование большого количества адсорберов, например, 6 или больше, может быть необходимым использование структурированных адсорбентов (контактных фильтров с параллельными каналами, монолитных контактных фильтров и подобных) во избежание рисков изнашивания из-за трения или псевдоожижения и потерь давления, которые чрезмерно высоки.

Было сделано много технологических достижений. Они касались клапанов, которые в настоящее время являются более быстродействующими, более надежными, более герметичными в отношении атмосферы и т. п., устройств, воздушных компрессоров и вакуумных насосов, специально адаптированных производителями под эксплуатационные параметры установок для получения кислорода, управления посредством двигателя с регулируемой скоростью, более точной, более эффективной и быстрой контрольно-измерительной системы. Различные типы адсорберов применяют в зависимости от рассматриваемых значений расхода или конкретных экономических условий: цилиндрический адсорбер, имеющий вертикальную ось, иногда применяемый одновременно до образования узла, который может включать, например, до 8 аналогичных установок, предназначенных для получения больших значений производительности (тогда приводится ссылка на группу или кластер), цилиндрический адсорбер, имеющий горизонтальную ось, кольцевой адсорбер. Использовалось несколько систем для фиксирования адсорбента в определенном положении и предотвращения изнашивания из-за трения или псевдоожижения (избыточный вес в виде керамических или стальных шариков, мембрана, баллон, пружина и т. п.). Также к данной сфере можно отнести управление тепловыми эффектами с помощью контроля теплоемкости подстилающих слоев адсорбента посредством добавления инертных материалов, таких как материалы с фазовым переходом (PCM). Данные типы разработок, перечисленные неисчерпывающим образом, можно применять в контексте настоящего изобретения без возможности считать их улучшением того, что приводится в данном документе.

Последним основным направлением, где возможны улучшения, является сам способ. Термин «способ» понимается в данном документе, как означающий как совокупность стадий, которым будет подвергаться адсорбер в ходе его эксплуатации, так и характеристики каждой из данных стадий: длительность, количество перемещенного газа, давление, температура и т.п.

Как правило, термин PSA означает любой способ очистки или разделения газа, в котором применяют циклическое изменение давления, которому подвергается адсорбент, от высокого давления, называемого давлением адсорбции, до низкого давления, называемого давлением регенерации. Таким образом, данное родовое обозначение PSA используется в одинаковой мере для обозначения следующих циклических способов, для которых также обычно приводятся более специфические названия, в зависимости от применяемых уровней давления или времени, необходимого адсорберу для возвращения в свое начальное состояние (продолжительности цикла):

- VSA-способы, в которых адсорбция осуществляется, по сути, при атмосферном давлении, предпочтительно от 0,95 до 1,25 бар абсолютного давления, а давление десорбции меньше атмосферного давления, как правило, составляет от 50 до 400 мбар абсолютного давления;

- способы MPSA или VPSA, в которых адсорбция осуществляется при высоком давлении, более высоком по сравнению с атмосферным давлением, составляющим обычно от 1,5 до 6 бар абсолютного давления, а десорбция осуществляется при низком давлении, более низком по сравнению с атмосферным давлением, составляющим, как правило, от 200 до 600 мбар абсолютного давления;

- способы PSA, собственно говоря, в которых высокое давление существенно больше атмосферного давления, составляет обычно от 3 до 50 бар абсолютного давления, а низкое давление, по сути, равно или больше атмосферного давления, составляет, как правило, от 1 до 9 бар абсолютного давления;

- способы RPSA (быстрый PSA), в которых длительность цикла изменения давления обычно составляет менее минуты;

- способы URPSA (сверхбыстрый PSA), в которых длительность цикла изменения давления составляет величину порядка не более нескольких секунд.

Следует отметить, что данные различные обозначения не стандартизированы, и что в соответствии с авторами предельные значения могут подвергаться изменениям.

В соответствии с предыдущими определениями настоящее изобретение относится как к VSA-способам, так и к VPSA-способам. В настоящее время из-за применяемых значений продолжительности цикла оно также относится к RPSA-способу и, возможно, в будущем - к URPSA-способу. Для упрощения текста, мы далее ограничимся термином VPSA, чтобы охватить область применения настоящего изобретения, как только что было определено.

Вне зависимости от типа PSA адсорбер будет начинать период адсорбции, до тех пор, пока он не загружен компонентом или компонентами, подлежащими связыванию при высоком давлении, и затем будет регенерирован посредством снижения давления и извлечения адсорбированных соединений перед восстановлением, на практике – повторно подвергнут воздействию давления, чтобы снова начать новый период адсорбции. Адсорбер, таким образом, выполнил «цикл изменения давления» и сам принцип PSA-способа заключается в том, чтобы соединить вместе данные циклы один за другим; таким образом, имеет место циклический способ. Время, которое требуется адсорбенту для возвращения в свое исходное состояние, известно как продолжительность цикла. В принципе, каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу с временным сдвигом, который известен как время фазы или, проще говоря, фаза. Таким образом, существует следующее отношение:

время фазы = продолжительность цикла/количество адсорбентов, и видно, что количество фаз равно количеству адсорбентов.

Существуют установки, содержащие только один адсорбер, при этом установки, такие как, например, установки PSA H₂, зачастую содержат от 10 до 16 адсорберов.

Цикл обычно включает следующие периоды.

- Получение или адсорбция, в течение которых подаваемый газ вводят через один из концов адсорбера, при этом преимущественно адсорбируются наиболее адсорбируемые соединения, и газ, обогащенный наименее адсорбируемыми соединениями (полученный газ), извлекают через второй конец. Адсорбцию можно осуществлять при повышающемся давлении, при, по сути, постоянном давлении и даже при слегка понижающемся давлении;

- Снижение давления, в ходе которого адсорбер, в который больше не подают газ, освобождают по меньшей мере через один из его концов от части соединений, содержащихся в адсорбенте и в свободном пространстве. Принимая за основу направление циркуляции текучей среды в период адсорбции, можно определить значение снижения давления в прямоточном режиме, в противоточном режиме или значение снижения давления одновременно в прямоточном и противоточном режимах;

- Элюирование или продувка, в ходе которых газ, обогащенный наименее адсорбируемыми компонентами (продувочный газ), циркулирует через подстилающий слой адсорбента для способствования десорбции наиболее адсорбируемых соединений. Продувку, как правило, осуществляют в противоточном режиме;

- Повторное повышение давления, в ходе которого адсорбер по меньшей мере частично подвергают повторному повышению давления перед тем, как снова начинать период адсорбции. Повторное повышение давления можно осуществлять в противоточном режиме и/или в прямоточном режиме с помощью различных потоков (потоков сырья, продукта, внутренних потоков в установке);

- Простой, в ходе которого адсорбер остается в том же состоянии. Данные отрезки простоя могут формировать неотъемлемую часть цикла, делая возможной синхронизацию стадий между адсорберами, или формировать часть стадии, которая завершилась до установленного времени. Клапаны могут быть закрыты или оставаться в данном состоянии в соответствии с характеристиками цикла.

Снижение давления и повторное повышение давления можно осуществлять различными способами, в частности, если PSA-установка содержит множество адсорберов (или контейнеров). Таким образом, это обеспечивает определение отдельных стадий для более точного описания перемещений газа, которые происходят между адсорберами (или контейнерами) и внешней окружающей средой (отработавшим газом низкого давления, полученным газом, контурами подачи).

Количество адсорберов относительно не зависит от выбранной совокупности стадий, иначе говоря, цикла. Применение нескольких адсорберов делает возможным непосредственное применение потока, выпускаемого из первого адсорбера, во втором адсорбере, если такие стадии выполняются одновременно. Таким образом, это позволяет избежать применения промежуточных контейнеров, чтобы в большей мере воспользоваться преимуществом градиентов давления. Это может также сделать возможной оптимизацию эксплуатации устройств для обеспечения непрерывного получения и т.п.

Как будет видно, по меньшей мере в настоящее время существуют VPSA-установки, содержащие 1, 2, 3 или 4 адсорбера. Также можно одновременно применять 2 или более установок данного типа, необязательно обеспечивая совместное применение некоторых элементов оборудования (соединенных воздушного фильтра, глушителей, контейнеров для продукта и т.п.).

В противоположность многим способам в случае получения кислорода исходный материал, иначе говоря, атмосферный воздух, является бесплатным, а энергопотребление установки является одной из доминирующих статей расходов при получении кислорода. По этой причине малейшая экономия в отношении удельного потребления энергии при неизменных капитальных затратах является выгодной, поскольку она непосредственно и в значительной степени влияет на производственные затраты.

На практике это означает существование большого количества циклов, которые зачастую отличаются лишь по слегка различающемуся управлению входящих или выходящих потоков или по слегка различающейся адаптации организации стадий в зависимости от количества используемых адсорберов.

Применение все более эффективных программ моделирования в настоящее время делает возможным исследование и сравнение очень большого количества вариантов и постепенное повышение значений расхода, сокращая относительную величину капитальных затрат, делает возможным, при разумных расходах, большее усложнение в управлении потоками.

Таким же образом улучшение кинетики переноса материала или тепла, относящееся либо к прогрессу в отношении адсорбентов (увеличение внутренней кинетики), либо к возможности применения частиц меньшего размера, относящейся к разработкам, относящимся к адсорберам (кольцевой адсорбер, например, монолитный адсорбер и т.п.), делает возможным сокращение длительности циклов и, следовательно, размера адсорберов.

Из-за всех этих причин (бесплатный исходный материал, сниженное влияние капитальных затрат) энергопотребление приобретает все более доминирующее значение.

Исходя из этого, поставленная задача заключается в обеспечении улучшенного способа, характеризующегося энергетически высокоэффективным циклом.

Решение в соответствии с настоящим изобретением представляет собой способ получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающий использование установки VPSA-типа, содержащей по меньшей мере один адсорбер, причем каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу изменения давления, включающий следующие стадии:

a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера,

b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2 < C1,

c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3 < C2 < C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом,

d) элюирование адсорбера, из которого выпустили три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b),

e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b).

Используемый в контексте настоящего изобретения цикл изменения давления можно применять для 1, 2, 3 и 4 адсорберов, а в более широком смысле – для N адсорберов, с некоторыми изменениями, такими как добавление баков для временного хранения определенных потоков.

В зависимости от обстоятельств способ в соответствии с настоящим изобретением может демонстрировать одну или несколько из следующих характеристик:

- получение второго потока газа на стадии b) осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме,

- получение второго потока газа на стадии b) осуществляют в два этапа: первый этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме, и второй этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме совместно со снижением давления в противоточном режиме,

- снижение давления в противоточном режиме осуществляют с помощью клапана,

- стадию e) повторного повышения давления осуществляют последовательно с помощью 3 потоков – первого, второго и третьего потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и третий поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является первым потоком газа, полученным на стадии a),

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии,

- давление в конце стадии a) составляет от 1,75 до 1,25 бар абс., предпочтительно от 1,55 до 1,45 бар абс., давление в конце стадии b) составляет от 1,5 до 1,0 бар абс., предпочтительно от 1,30 до 1,20, давление в конце стадии c) составляет от 1,0 до 0,7 бар абс., предпочтительно от 0,90 до 0,80, и низкое давление в цикле изменения давления составляет от 0,25 до 0,45 бар абс., предпочтительно от 0,40 до 0,30,

- длительность цикла изменения давления составляет менее 60 секунд, предпочтительно от 15 до 45 секунд,

- установка VPSA-типа содержит N адсорберов или N групп адсорберов, при этом каждый адсорбер n или каждая группа адсорберов n подвергается циклу изменения давления со сдвигом времени фазы относительно цикла изменения давления адсорбера n-1 при n ≤ N,

- N составляет от 1 до 4.

Решение, предлагаемое в данном документе, является более простым, чем решения из предшествующего уровня техники, поскольку оно приводит к получению лишь трех потоков с уменьшающейся чистотой и, более того, отличается с точки зрения применения данных потоков в цикле. Элюирование осуществляют полностью с помощью части потока, полученного на стадии b), при этом повторное повышение давления осуществляют посредством последовательного применения полученных потоков с возрастающей чистотой.

Предлагаемый цикл в контексте настоящего изобретения, таким образом, характеризуется последовательностями i, i + 1 и i + 2, в ходе которых установка производит 3 последовательных потока с высоким содержанием кислорода и с уменьшающейся чистотой. Стадия i соответствует стадии a) и, таким образом, фактическому получению со средним значением чистоты C1, которое, как правило, соответствует требованиям, запрашиваемым клиентом; допустим, в качестве примера, 93 об. % O₂. В ходе данной стадии в адсорбер подают воздух посредством воздушной компрессорной установки (С-возд.).

Упомянутая стадия i + 1 соответствует стадии b) и, таким образом, получению второго потока с высоким содержанием кислорода, но со средним значением чистоты C2, более низким, чем предыдущее; допустим, в качестве примера, 91 об. % O₂. Данную фракцию можно получить с введением или без введения воздуха на другом конце адсорбера. Более конкретно, адсорбер может быть изолирован со стороны подачи воздуха, а фракцию кислорода получают посредством сброса давления в прямоточном режиме, или воздух можно вводить лишь в ходе отрезка данной стадии или на протяжении всей стадии при номинальном или сниженном расходе. Также можно одновременно отводить поток с высоким содержанием азота в ходе всей стадии или только части стадии посредством снижения давления в противоточном режиме.

Упомянутая стадия i + 2 соответствует стадии c) и, таким образом, получению третьего потока с высоким содержанием кислорода со средним значением чистоты C3, более низким, чем предыдущее; допустим, 89 об. % O₂. Данный поток получают посредством сброса давления в прямоточном режиме одновременно со сбросом давления в противоточном режиме, что предназначено для одновременного извлечения из адсорбера потока с высоким содержанием азота. В соответствии с уровнем давления данный сброс давления в противоточном режиме можно осуществлять при помощи клапана и/или посредством вакуумного насоса. На практике это, как правило, будет выполняться по меньшей мере в конце стадии вакуумной откачки, и для простоты было принято обозначение [VP], обозначающее данные различные возможности, причем VP обозначает «вакуумную откачку», а наличие квадратных скобок означает, что стадия вакуумной откачки не является обязательной.

Управление в цикле данными различными полученными фракциями кислорода характеризуется совокупностью следующих последовательностей.

Стадия j соответствует стадии простой вакуумной откачки для извлечения азота. Сторона получения на адсорбере изолирована.

Стадия j + 1 соответствует стадии элюирования с откачкой. Газ с высоким содержанием кислорода вводят со стороны получения одновременно с откачкой. Присутствие кислорода способствует десорбции азота.

Стадии j + 2, j + 3 и j + 4 являются стадиями, на которых адсорбер подвергают повторному повышению давления.

Элюирование на стадии j + 1 осуществляют исключительно газом, полученным на стадии b), соответствующей стадии i + 1, которая была определена выше.

Со своей стороны, повторное повышение давления осуществляют посредством последовательных стадий с помощью потоков кислорода с возрастающей чистотой: с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является третьим потоком газа, полученным на стадии c), с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и необязательно с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, который является первым потоком газа, полученным на стадии a). В соответствии с рабочими условиями вклад третьего повторного повышения давления может быть незначительным и без него можно обойтись для простоты. Именно это обозначают в данном документе наличием квадратных скобок: [C1].

Существует несколько путей обобщающего характера для представления циклов установки PSA-типа.

В данном документе будет применяться табличный способ, в котором каждая отдельная стадия указана в одной ячейке. Цикл может быть определен посредством описания всех стадий, которые выполняет адсорбер в ходе цикла. Предпочтительно описания различных фаз, которым одновременно подвергаются различные адсорберы, представлены одно под другим. Если требуется исчерпывающий подход, эксплуатация каждого адсорбера описывается одна под другой. Каждая ячейка определяет стадию посредством сокращенного названия (Получ., Равн., Продув. и т. п.). Такой способ представления является очень компактным и очень практичным. Однако, поскольку входящий или выходящий поток имеет несколько применений, данный способ становится менее наглядным, поскольку становится сложно просто определить соответствующую стадию. Тем не менее, данный способ остается в настоящее время наиболее широко применяемым.

В данном документе применяется промежуточный способ в форме таблицы, где для каждой стадии определены входящий в адсорбер и выходящий из адсорбера потоки. Данный способ уже применялся в немного отличающейся форме. Таким образом, например:

означает, что адсорбер находится на стадии 1 и что в него в качестве сырья подают поток, выпускаемый из компрессора (С-возд.), при этом данный поток в контексте настоящего изобретения является атмосферным воздухом. Поток, соответствующий получению (Получ.) выпускают с противоположного конца адсорбера.

означает, что стадия j является стадией простого создания вакуума посредством вакуумного насоса, присоединенного к концу для подачи, при этом сторона получения закрыта (X).

Две верхних или нижних ячейки оставляют пустыми, если то, что происходит соответственно на стороне получения или стороне подачи формально не определено или не подлежит определению в данный момент для удовлетворительного понимания цикла, т. е., например, тот факт, что происходит извлечение, введение газа или что конец изолирован, не является характеристикой стадии, о которой идет речь, и что все случаи, в действительности даже их комбинация, например, введение, за которым следует извлечение, возможны.

Ряд циклов, относящихся к настоящему изобретению, может, таким образом, быть охарактеризован посредством следующей таблицы, причем оставленные пустыми столбцы означают, что кроме 8 описанных стадий могут иметь место дополнительные стадии, такие как стадии, соответствующие замене вакуумного насоса, заключительному повторному повышению давления просто с помощью воздуха и т. п.

В соответствии с одним вариантом осуществления получение второго потока газа с высоким содержанием кислорода в соответствии со стадией b) осуществляют посредством простого снижения давления в прямоточном режиме, соответствующего следующим характеристическим стадиям.

В соответствии с другим вариантом осуществления получение второго потока газа с высоким содержанием кислорода в соответствии со стадией b) осуществляют в две подстадии: вначале посредством простого снижения давления в прямоточном режиме, а затем посредством снижения давления также в прямоточном режиме, но одновременно со снижением давления в противоточном режиме, предпочтительно до атмосферного давления через клапан. Последняя технологическая операция соответствует следующим характеристическим подстадиям k-a и k-b, относящимся к получению потока с чистотой Pur2, причем данные подстадии заменяют стадию i + 1 в приведенной выше таблице.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления начальное повторное повышение давления в адсорбере с помощью третьего потока газа, полученного на стадии c), осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи в ходе всей стадии или части данной стадии. Поскольку адсорбер находится под вакуумом, данное введение воздуха можно осуществлять непосредственно из атмосферы посредством клапана. Он может представлять собой клапан, открывающий отверстие лишь полностью, или клапан, степень открытия которого изменяется на протяжении всей стадии. Открывание можно осуществлять лишь в ходе выполнения стадии, принимая во внимание временную задержку или порог давления. Такое открывание представляет собой один из параметров, подлежащих оптимизации. Наиболее эффективное программное обеспечение для моделирования позволяет определить тенденции, подлежащие наблюдению. Регулировка на месте может позволить улучшить характеристики открывания. Поскольку прохождение через вакуумный насос не является обязательным, и поскольку можно снизить данное введение воздуха, в действительности даже свести к нулю, было введено обозначение [ATM] для представления данных эксплуатационных возможностей, следовательно, иллюстративные стадии представляют собой следующие.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления повторное повышение давления в адсорбере с помощью второго потока газа, полученного на стадии b), осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи в ходе всей стадии или части данной стадии и предпочтительно на протяжении всей стадии. Поскольку адсорбер находится под вакуумом, основная часть воздуха для повторного повышения давления может захватываться непосредственно из атмосферы посредством клапана. Он может представлять собой клапан, открывающий отверстие лишь полностью, или клапан, степень открытия которого изменяется на протяжении всей стадии. Открывание можно осуществлять лишь в ходе выполнения стадии, принимая во внимание временную задержку или порог давления. Такое открывание представляет собой один из параметров, подлежащих оптимизации. Как указано выше, воздух предпочтительно вводят на протяжении данной стадии, и тогда соответствующее отображение выглядит следующим образом.

В соответствии с вариантом повторное повышение давления в адсорбере с помощью третьего потока газа, полученного на стадии a), осуществляют одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи. С учетом цикла изменения давления данное необязательное повторное повышение давления происходит при значениях давления близких к атмосферному давлению или в целом выше атмосферного давления. Затем необходимо применять средства сжатия (С-возд.), чтобы ввести атмосферный воздух в адсорбер.

После получения кислорода (стадия i) непосредственно следует повторное повышение давления с помощью потока с высоким содержанием кислорода (стадия j + 4). На практике может быть допустимым наличие возможности обращения направления циркуляции кислорода, когда давление в адсорбере превосходит давление в контуре кислорода.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления цикл дополнительно включает заключительное повторное повышение давления в адсорбере исключительно посредством введения воздуха со стороны подачи. Данная стадия, таким образом, предшествует стадии получения кислорода со значением чистоты C1. Длительность данной стадии определяется временной задержкой или порогом давления. Воздух вводят из воздушного компрессора С-возд., поскольку адсорбер находится под давлением, превышающим атмосферное давление по меньшей мере в конце стадии. Данная стадия проходит после стадии повторного повышения давления с применением потока с чистотой C2 или после необязательной стадии повторного повышения давления с помощью газа с чистотой C1, образующегося в результате получения.

Таким образом, соответственно, получают два варианта.

Оставаясь в пределах сравнительно ограниченного диапазона значений давления, выбор высокого давления в цикле может зависеть от того, для какой цели применяют кислород. Если есть возможность применять продукт непосредственно, то есть без добавления устройства для сжатия, будет обеспечен доступ кислорода при надлежащем давлении. Напротив, оптимальное значение давления будет определено с помощью оптимизации VSA-установки для получения O₂/средств для сжатия O₂, которое, как правило, будет оставаться в пределах диапазона, составляющего от 1,25 до 1,75 бар абс. Выбор низкого значения давления, по-прежнему находящегося в пределах ограниченного диапазона значений давления, будет зависеть как от выбора насосного(насосных) устройства(устройств), так и от экономической оптимизации капитальных затрат/затрат энергии. Слегка более низкое давление имеет тенденцию снижать объем адсорбента, который необходимо использовать, но это происходит в ущерб потреблению энергии. Диапазон, предусмотренный в контексте настоящего изобретения, составляет от 0,25 до 0,45 бар абс.

Промежуточные значения давления между высоким и низким значениями давления определяют путем оптимизации, когда выбраны цикл изменения давления и совокупность стадий.

Таким образом, согласно выбранному варианту осуществления, который находится в пределах контекста настоящего изобретения, давление в конце стадии а) составляет от 1,25 до 1,75 бар абс., давление в конце стадии b) составляет от 1,5 до 1,0 бар абс., давление в конце стадии c) составляет от 1,0 до 0,7 бар абс., а низкое давление цикла составляет от 0,25 до 0,45 бар абс.

Согласно предпочтительному варианту осуществления давление в конце стадии а) составляет приблизительно 1,5 бар абс., давление в конце стадии b) составляет приблизительно 1,25 бар абс., давление в конце стадии c) составляет приблизительно 0,85 бар абс., а низкое давление цикла составляет приблизительно 0,35 бар абс.

Под термином «приблизительно» понимается значение плюс или минус 50 мбар и предпочтительно плюс или минус 25 мбар.

Как было указано выше, можно осуществлять данный цикл изначально с любым количеством адсорберов, но наиболее подходящие установки будут содержать 1, 2, 3 или 4 адсорбера.

Таким образом, в соответствии с одним вариантом осуществления VPSA-установка содержит 1 адсорбер, который подвергается 8-стадийному циклу, описанному ниже.

Предпочтительно, стадия b), то есть 2 в приведенной выше таблице, будет включать первый этап 2-i, в ходе которого осуществляют получение путем снижения давления в прямоточном режиме, и второй этап 2-ii, в ходе которого осуществляют получение путем снижения давления в прямоточном режиме в сочетании со снижением давления в противоточном режиме.

Соответствующий цикл может быть представлен следующим образом.

Данный цикл, как и предыдущий, предусматривает использование 3 баков для хранения, соответствующих каждому значению чистоты.

Данный цикл очень значительно отличается от других циклов, предложенных для установки, содержащей только один адсорбер. В частности, в документе US 6132496 описана установка, содержащая один адсорбер, одно устройство, действующее в качестве компрессора и вакуумного насоса, и содержащая 3 бака, как и циклы в соответствии с настоящим изобретением. Элюирование в обоих случаях осуществляют с помощью газа со вторым значением чистоты C2, но повторное повышение давления со стороны кислорода осуществляют исключительно с помощью газа, образовавшегося при получении C1; в данном случае отсутствует как газ с 3-им значением чистоты, так и постепенное повышение давления с помощью газов возрастающей чистоты. Все остальные циклы моноадсорберного типа изначально эксплуатируются лишь с одним или двумя баками для хранения и, таким образом, в них используются различные потоки.

В соответствии с другим вариантом осуществления VPSA-установка содержит 2 адсорбера.

Чтобы сделать более простым осуществление цикла, начало повторного повышения давления было выбрано в качестве первой стадии. Тем не менее, можно было бы начать с другой стадии без изменения ее принципа.

Аналогичным образом каждая фаза содержит одинаковое количество стадий, в данном случае – 5. Это не является обязательным, и, например, стадии 7 и 8, с одной стороны, и 9 и 10, с другой стороны, могут быть объединены вместе в одну стадию.

Установка содержит воздушный компрессор, который может находиться в непрерывной эксплуатации (стадии 1-5) или в периодической эксплуатации.

Вакуумный насос находится в непрерывной эксплуатации (стадии 6-10).

В цикле необходимы по меньшей мере 2 бака для хранения для управления потоком продукта (C1) и потоком со вторым значением чистоты (C2). Часть потоков, которые получены, будет преимущественно применяться одновременно, при этом хранится только неиспользованная часть.

Предпочтительный цикл характеризуется тем, что на стадии получения потока кислорода со вторым значением чистоты нет введения воздуха; как объяснено выше, преимущество введения кислорода в ходе стадии заключительного повторного повышения давления (стадия 3) будет частично зависеть от типа используемых адсорберов. Может быть необязательно, чтобы цилиндрический адсорбер, имеющий вертикальную ось (или имеющий кластер адсорберов данного типа), имел мертвое пространство с низким содержанием кислорода и, наоборот, наблюдается наличие положительного эффекта в случае радиального адсорбера, предусматривающего мертвую зону с высоким содержанием кислорода, например, 30% объема адсорбента.

С учетом принятых нами обозначений соответствующий цикл для такого адсорбера представлен следующим образом.

Читателю напоминают, что на стадии 1 повторное повышение давления с помощью потока кислорода с чистотой Pur3 может сопровождаться повторным повышением давления в прямоточном режиме с помощью атмосферного воздуха, при этом повторное повышение давления может начинаться в течение стадии.

В соответствии с другим вариантом осуществления VPSA-установка содержит 3 адсорбера.

Характеристика цикла по настоящему изобретению представлена ниже.

Циклы, соответствующие 1, 2 и 3 адсорберам, были описаны подробно, но специалист в данной области техники, начиная с приведенных инструкций, легко адаптирует данный цикл для любого количества адсорберов, например, для 6 адсорберов, начиная с завершающей таблицы, объединяя, таким образом, вместе стадии: 9+1/2/3+4/5/6/7+8, что представляет собой только одну из возможностей.

В циклах, предусматривающих использование 1-4 адсорберов, предпочтительно применяют адсорбенты в виде частиц (шарики, стержни, дробленые материалы). А для циклов, предусматривающих использование более 4 адсорберов, предпочтительно применяют структурированные адсорбенты.

Изобретение относится к способу получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающему использование VPSA-установки, содержащей по меньшей мере один адсорбер, причем каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу изменения давления, включающему следующие стадии: a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера, b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2<C1, c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3<C2<C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом, d) элюирование адсорбера, из которого выпустили три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b), e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b). 12 з.п. ф-лы, 15 табл.

1. Способ получения кислорода путем адсорбции из потока атмосферного воздуха, предусматривающий использование установки VPSA-типа, содержащей по меньшей мере один адсорбер, причем каждый адсорбер подвергается одному и тому же циклу изменения давления, включающий следующие стадии:

a) получение первого потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C1, при загрузке потока атмосферного воздуха выше по потоку относительно адсорбера,

b) получение второго потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C2<C1,

c) получение третьего потока газа, характеризующегося содержанием кислорода C3<C2<C1, при одновременном извлечении потока отходов, обогащенного азотом,

d) элюирование адсорбера, из которого выпустили три потока газа, полученных на стадиях a), b) и c), посредством исключительно второго потока газа, полученного на стадии b),

e) повторное повышение давления в адсорбере, который подвергался элюированию на стадии d), последовательно по меньшей мере с помощью двух потоков, первого и второго потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), и второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение второго потока газа на стадии b) осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение второго потока газа на стадии b) осуществляют в два этапа: первый этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме, и второй этап, в ходе которого получение осуществляют посредством снижения давления в прямоточном режиме совместно со снижением давления в противоточном режиме.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что снижение давления в противоточном режиме осуществляют посредством клапана.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что стадию e) повторного повышения давления осуществляют последовательно с помощью 3 потоков – первого, второго и третьего потоков, обеспечивающих повторное повышение давления, характеризующихся возрастающим содержанием кислорода, при этом первый поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является третьим потоком газа, полученным на стадии c), второй поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является вторым потоком газа, полученным на стадии b), и третий поток, обеспечивающий повторное повышение давления, является первым потоком газа, полученным на стадии a).

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью первого потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью второго потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на стадии e) повторного повышения давления осуществляют повторное повышение давления с помощью третьего потока, обеспечивающего повторное повышение давления, одновременно с введением воздуха в прямоточном режиме со стороны подачи адсорбера по меньшей мере в течение части данной стадии.

9. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что адсорбер подвергают стадии вакуумной откачки после стадий a), b) и c) получения и перед стадией d) элюирования.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что:

- давление в конце стадии a) составляет от 1,75 до 1,25 бар, предпочтительно от 1,55 до 1,45 бар абс.,

- давление в конце стадии b) составляет от 1,5 до 1,0 бар абс., предпочтительно от 1,30 до 1,20,

- давление в конце стадии c) составляет от 1,0 до 0,7 бар абс., предпочтительно от 0,90 до 0,80, и

- низкое давление в цикле изменения давления составляет от 0,25 до 0,45 бар абс., предпочтительно от 0,40 до 0,30.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что длительность цикла изменения давления составляет менее 60 секунд, предпочтительно от 15 до 45 секунд.

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что установка VPSA-типа содержит N адсорберов или N групп адсорберов, при этом каждый адсорбер n или каждая группа адсорберов n подвергается циклу изменения давления со сдвигом времени фазы относительно цикла изменения давления адсорбера n-1 при n≤N.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что N составляет от 1 до 4.