Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода Российский патент 2021 года по МПК B01D53/00 B01D69/02 B01D71/02 

Изобретение относится к области оборудования для химической и газовой промышленности, а также к системам жизнеобеспечения людей в замкнутых помещениях, изолированных объектах, бункерах, барокамерах, в космических и подводных аппаратах и касается способа магнитного выделения кислорода и устройства для его осуществления.

Настоящее изобретение может быть использовано в составе систем электрохимической регенерации воздуха для разделения бинарной смеси СО₂ и О₂, с целью дальнейшей подачи кислорода для дыхания, а углекислого газа на утилизацию.

Сферами применения устройства для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода являются различные химические процессы и производства, в которых необходимо разделять бинарную смесь газов СО₂+О₂ на кислород (О₂) и углекислый газ (СО₂), как правило при низком давлении и небольшой производительности и без шума. В частности, термомагнитный блок выделения кислорода может быть использован для подачи кислорода в системах электрохимической регенерации воздуха в различных объектах.

Основным источником азота и кислорода является атмосферный воздух. Для промышленного производства этих газов используются: метод криогенной ректификации, короткоцикловая безнагревная адсорбция (КБА) или мембранная технология. Криогенные установки позволяют осуществлять комплексное разделение воздуха с извлечением всех его компонентов при относительно небольших удельных затратах энергии. Метод криогенной ректификации целесообразно использовать при получении достаточно больших количеств азота, кислорода, аргона. При этом продукты разделения воздуха поступают к потребителю в газообразном или в жидком виде. Получаемый кислород имеет концентрацию в среднем - 99,5%. Основными недостатками этих установок являются: невозможность остановки оборудования при прекращении потребления получаемых продуктов и необходимость периодического отогрева оборудования для его ремонта и профилактики. Мембранные технологии используются для получения кислорода чистотой не более 40%. В основе мембранных систем лежит разница в скорости проникновения компонентов газа через специальные мембраны. Существенным недостатком мембранных установок является процесс деградации мембран, т.е. снижение производительности мембранного картриджа. В первый год эксплуатации снижение составляет до 10%, далее скорость деградации незначительно снижается. К дополнительным недостаткам мембранной технологии можно отнести относительно низкую чистоту получаемых азота и кислорода, более низкую энергоэффективность в сравнении с адсорбционной технологией. На цеолитовых молекулярных ситах адсорбционная емкость по азоту примерно в 2 раза выше емкости по кислороду, на этом основаны схемы получения кислорода методом адсорбции, производящих кислород чистотой от 90 до 95%, который широко используется в разнообразных отраслях промышленности. (Журнал Экспозиция Нефть газ, октябрь, 6 (59), 2016, Акулов А.К., Производство азота и кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции).

Известны многочисленные патенты на способы мембранного и адсорбционного получения кислорода из воздуха или смеси газов (патенты США №4704148, №3898047, №3687634, №6475265, №5226993, патент Японии №6340704).

Для разделения бинарной смеси газов СО₂+О₂ в отличие от воздушной смеси N₂+O₂ отсутствует технология эффективного разделения. Молекулы СО₂ и О₂ не отличаются по размеру, проницаемость в полимерных мембранах практически одинакова, разница в адсорбции СО₂ и О₂ незначительная, что усложняет процесс выделения кислорода.

Парамагнетизм кислорода - единственное физическое свойство кислорода, резко отличающее кислород от других газов. Объемная магнитная восприимчивость (при температуре 20°С и нормальном давлении) кислорода χ^O2=+142×10⁹, углекислого газа χ^CO2=-0,93×10⁹ (Александрова Г.Г., Вольфкович С.И., Кубасова Л.В., Практикум по химической технологии, М. Издательство московского университета, 1968, стр. 223).

Известно устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом, содержащее установленные в корпусе насос, электродвигатель, источник питания, цилиндрический постоянный магнит с осевой намагниченностью (патент РФ №83243, МПК С01В 13/02, публ. 2009 г.).

Недостатком является низкая чистота получаемого кислорода, большая сложность, большой шум и вибрация, связанная с наличием дополнительных узлов (насос с электродвигателем), которые потребляют электроэнергию.

Известно устройство для осуществления способа термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) на кислород и азот с остальными атмосферными газами, в котором перпендикулярно потоку воздуха, протекающему по немагнитному каналу (например, прямоугольной трубе), создаются градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), под воздействием которых молекулы кислорода, являющиеся парамагнетиками, втягиваются в область сильного магнитного поля, которая образуется у стороны с магнитами, а молекулы азота и остальные газы, являющиеся диамагнетиками, выталкиваются к противоположной стороне, при этом атмосферный воздух разделяется на отдельные компоненты наноперегородкой из пористого немагнитного материала (патент РФ №2428242, МПК B01D 53/00, публ. 2011 г).

Недостатком известного устройства является сложность, большие габаритные размеры, низкая надежность, вызванная большим количеством элементов, отсутствие ремонтопригодности, а также большие потери электроэнергии на электромагниты и дополнительные модули охлаждения, что не позволяет эффективно использовать устройство для разделения бинарной газовой смеси углекислого газа с кислородом.

Задачей настоящего изобретения является создание бесшумного малогабаритного устройства, позволяющего обеспечить эффективное разделение смеси кислорода и углекислого газа путем использования свойства кислорода (парамагнетика) втягиваться в область сильного магнитного поля и свойства углекислого газа (диамагнетика) выталкиваться из области сильного магнитного поля.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.

Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода содержит выполненный из немагнитного материала корпус, снабженный входным и выходными газовыми патрубками, при этом во внутренней полости корпуса установлена газопроницаемая пористая перегородка. Газопроницаемая пористая перегородка выполнена из магнитного материала и расположена во внутренней полости корпуса горизонтально, а на наружной поверхности корпуса установлен подключенный к источнику постоянного электрического тока соленоид, под действием которого в порах перегородки создается магнитное поле, направленное вертикально по оси внутренней полости, причем газовый патрубок для входа смеси кислорода и углекислого газа и выходной газовый патрубок для отвода углекислого газа расположены ниже перегородки, а выходной газовый патрубок для отвода кислорода расположен выше перегородки.

На чертеже представлена схема устройства для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода.

Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода содержит корпус 1, газопроницаемую магнитную перегородку 2, патрубок входа смеси газов 3, патрубок выхода кислорода 4, патрубок выхода углекислого газа 5, соленоид 6 для создания магнитного поля и намагничивания перегородки 2.

Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода работает следующим образом.

Смесь газов входит в полость корпуса 1 через входной патрубок 3, первоначально происходит падение скорости газа, связанное с увеличением проходного сечения, далее смесь газов перетекает в полости корпуса от периферии к центру вдоль перегородки 2, под действием магнитного поля от соленоида 6 в порах пористой перегородки создается направленное вертикально по оси канала магнитное поле, через поры парамагнитный кислород (молекулы которого имеют меньшую массу) поднимается верх, перетекает в полость над перегородкой и выходит через патрубок 4.

Углекислый газ, молекулы которого имеют большую массу, на который магнитное поле не оказывает влияние, проходит вдоль перегородки к центру полости корпуса и через центральный патрубок отводится в нижнюю полость и выходит через патрубок 5.

Предложенное техническое решение позволяет создать простое, бесшумно работающее малогабаритное устройство, обеспечивающее надежное разделение смеси кислорода и углекислого газа.

Изобретение относится к области оборудования для химической и газовой промышленности, а также к системам жизнеобеспечения людей в замкнутых помещениях, изолированных объектах, бункерах, барокамерах, в космических и подводных аппаратах. Изобретение касается устройства для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода, которое содержит выполненный из немагнитного материала корпус, снабженный входным и выходными газовыми патрубками, при этом во внутренней полости корпуса установлена газопроницаемая пористая перегородка. Газопроницаемая пористая перегородка выполнена из магнитного материала и расположена во внутренней полости корпуса горизонтально, а на наружной поверхности корпуса установлен подключенный к источнику постоянного электрического тока соленоид, под действием которого в порах перегородки создается магнитное поле, направленное вертикально по оси внутренней полости. Газовый патрубок для входа смеси кислорода и углекислого газа и выходной газовый патрубок для отвода углекислого газа расположены ниже перегородки, а выходной газовый патрубок для отвода кислорода расположен выше перегородки. Технический результат - создание бесшумного малогабаритного устройства, позволяющего обеспечить эффективное разделение смеси кислорода и углекислого газа путем использования свойства кислорода (парамагнетика) втягиваться в область сильного магнитного поля и свойства углекислого газа (диамагнетика) выталкиваться из области сильного магнитного поля. 1 ил.

Устройство для выделения газообразного кислорода из смеси углекислого газа и кислорода, содержащее выполненный из немагнитного материала корпус, снабженный входным и выходными газовыми патрубками, при этом во внутренней полости корпуса установлена газопроницаемая пористая перегородка, отличающееся тем, что газопроницаемая пористая перегородка выполнена из магнитного материала и расположена во внутренней полости корпуса горизонтально, а на наружной поверхности корпуса установлен подключенный к источнику постоянного электрического тока соленоид, под действием которого в порах перегородки создается магнитное поле, направленное вертикально по оси внутренней полости, причем газовый патрубок для входа смеси кислорода и углекислого газа и выходной газовый патрубок для отвода углекислого газа расположены ниже перегородки, а выходной газовый патрубок для отвода кислорода расположен выше перегородки.