СПОСОБ И УСТАНОВКА ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2023 года по МПК B01D53/47 B01J20/08 B01J20/18 B01J20/20 B01J20/28 B01J20/32 B01J20/34 

Настоящее изобретение относится к способу переработки газовой смеси путем адсорбции при переменном давлении, в частности путем адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, а также к соответствующей установке в соответствии с ограничительными частями соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.

Предшествующий уровень техники

Производство продуктов разделения воздуха в жидком или газообразном состоянии, например, кислорода с различными состояниями и степенями чистоты, путем криогенного разделения воздуха известно и описано, например, в H.-W. Häring (editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, в частности раздел 2.2.5, Cryogenic Rectification.

В качестве альтернативы криогенному разделению воздуха газообразный кислород различной степени чистоты также можно получать из воздуха посредством адсорбции при переменном давлении (PSA), в частности посредством адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении (VPSA). VPSA отличается от традиционной PSA, в частности, тем, что десорбция происходит при давлении ниже атмосферного. При использовании VPSA можно достичь более высокого выхода кислорода при более низком потреблении энергии. Приведена ссылка на техническую литературу по признакам и преимуществам соответствующих способов. Основные принципы способов адсорбции можно найти, например, в A. Gabelman, Adsorbent Basics, часть 1, CEP Journal, июль 2017 г., стр. 48–53 и A. Gabelman, Adsorbtion Basics, часть 2, CEP Journal, August 2017 г., стр. 38–45.

Разделение воздуха с помощью PSA и VPSA основано на различной степени адсорбции компонентов воздуха на адсорбенте. В частности, богатые кислородом газовые смеси с содержанием кислорода, например, от приблизительно 90 до 95 молярных процентов можно получать из воздуха с помощью PSA или VPSA.

Хотя настоящее изобретение преимущественно описано ниже в отношении переработки воздуха с помощью VPSA, предложенные в соответствии с изобретением меры также можно, в принципе, применять в отношении переработки посредством VPSA газовых смесей, отличных от воздуха. Настоящее изобретение особенно подходит для богатых азотом газовых смесей с содержанием азота более 40 молярных процентов, но не ограничивается соответствующими газовыми смесями.

Адсорбция происходит в процессе PSA или VPSA, как правило, с использованием пористых адсорбентов. Пропорции адсорбирующих компонентов в газообразной исходной газовой смеси, которые в каждом случае адсорбируются в процессе PSA или VPSA, зависят от давления исходной газовой смеси и от селективности адсорбента. Таким образом, соответствующую исходную газовую смесь подвергают сжатию перед подачей на PSA или VPSA.

Адсорбционные модули, применяемые для переработки воздуха с помощью PSA или VPSA, как правило, содержат два последовательных слоя адсорбента, или насадочных слоя, или секции насадочных слоев по направлению потока. Первый сравнительно короткий слой используют для удаления воды и других сильно адсорбируемых компонентов воздуха, например, с обычной влажностью и следами диоксида углерода. За этим первым слоем по направлению потока следует второй слой, который используют для удаления азота. Как правило, во втором слое формируют зону уравновешивания и зону массообмена, примыкающую к зоне уравновешивания по направлению потока. Дополнительные пояснения, касающиеся образования этих зон, можно найти, например, в публикации Gabelman (см. выше) на стр. 50 в разделе Mass transfer considerations.

Как известно из приведенной технической литературы, для адсорбции можно использовать различные адсорбенты или адсорбирующие материалы (см. также ниже). Соответствующие адсорбирующие материалы могут быть предусмотрены, например, в виде сфер или пеллет (далее именуемых просто «адсорбирующие тела»), диаметр которых обычно составляет от 1 до 3 мм. Этот диаметр представляет собой одну из основных переменных, влияющих на характеристики разделения для соответствующего адсорбционного модуля.

При меньших диаметрах, как правило, происходит улучшенный массообмен, но при сравнительно большей потере давления по адсорбирующему материалу. Более крупные частицы вызывают меньшие потери давления, но демонстрируют более низкую кинетическую эффективность. Таким образом, выбор диаметров адсорбирующих тел обычно представляет собой результат компромисса между потерей давления и кинетикой адсорбции.

Недавно разработанные дополнительные формы адсорбирующих тел, в частности так называемые композитные тела типа «ядро в оболочке», предназначены для улучшения массообмена без отрицательного влияния на потерю давления адсорбционным модулем. В отличие от традиционных адсорбирующих тел, которые сформированы по существу гомогенно из пористого адсорбирующего материала, композитные тела типа «ядро в оболочке» представляют собой композитные адсорбирующие тела, имеющие внутреннюю сердцевину, изготовленную из (по меньшей мере по существу) непористого неадсорбирующего материала, и наружный слой, сформированный соответствующим адсорбирующим материалом. Очевидно, что при упоминании ниже «непористого» и «неадсорбирующего» материала такой материал может иметь небольшую пористость и адсорбционную способность, которые, однако, намного ниже, чем у материала, называемого «пористым» и «адсорбирующим». Однако, как правило, внутреннюю сердцевину формируют из полностью непористого материала, например из кварцевого зерна. В качестве альтернативы ниже также используется термин «инертное» ядро.

Например, в EP 1 080 771 B1 описан способ разделения газов, включающий подачу газообразной смеси, содержащей по меньшей мере два компонента, имеющих различные адсорбционные свойства, в адсорбирующий контейнер, содержащий слой по меньшей мере одного адсорбирующего материала, который может предпочтительно адсорбировать по меньшей мере один из газообразных компонентов в газообразной смеси, и создание для газообразной смеси условий, которые позволяют ей адсорбировать предпочтительно адсорбируемый газообразный компонент в газообразной смеси на адсорбирующем материале и отделяться от неадсорбированного компонента в газообразной смеси, проходящей через адсорбирующий контейнер, причем по меньшей мере один адсорбирующий материал в адсорбирующем контейнере содержит композитные частицы, имеющие внутреннюю твердую непроницаемую сердцевину, состоящую из непористого неадсорбирующего материала, и по меньшей мере один наружный слой, содержащий адсорбирующий материал.

Соответствующее композитное тело показано на фиг. 4, на которую здесь следует сделать ссылку. Дополнительные пояснения приведены ниже. При производстве композитных тел типа «ядро в оболочке» можно точно определять диаметр частиц (D, см. фиг. 4) и толщину наружного слоя (h). Для этой цели необходимо соответствующим образом выбирать диаметр (d) внутренней сердцевины. Таким образом, можно изготавливать композитные тела типа «ядро в оболочке», которые имеют переменную толщину наружного слоя или переменное объемное соотношение между адсорбирующим материалом и сердцевиной. Достигаемое при этом массовое соотношение зависит от плотности сердцевины. Объемное соотношение представляет собой постоянную геометрическую величину и не зависит от выбранного материала сердцевины. Таким образом, термин «объем тела» используется ниже для соответствующего адсорбирующего тела. Объем тела указывает на объем соответствующего адсорбирующего тела (включая весь наружный слой и весь внутренний слой), окруженного внешней границей наружного слоя.

В отличие от очистки других газовых смесей, при которой необходимо удалять только следы примесей, с переработкой воздуха или сопоставимых газовых смесей для получения кислорода связана проблема, заключающаяся в том, что компонент, подлежащий удалению, присутствует в высокой концентрации или даже является основным компонентом. Из-за высокого содержания азота зона уравновешивания, формирующаяся в слое, описанном выше для удаления азота, является весьма большой, тогда как смежная зона массообмена является сравнительно короткой и характеризуется резкими градиентами концентрации. В результате для двух зон в отношении соответствующих свойств возникают частично противоположные цели, которые не могут быть удовлетворительным образом достигнуты с помощью традиционных способов.

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить улучшенные в этом отношении возможности переработки газовых смесей, в частности воздуха, посредством адсорбции при переменном давлении, в частности посредством адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, и преодолеть недостатки предшествующего уровня техники.

Описание изобретения

Указанной цели достигают с помощью способа переработки газовой смеси, в частности богатой азотом газовой смеси, такой как воздух, путем адсорбции при переменном давлении, в частности путем адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, а также с помощью соответствующей установки в соответствии с ограничительными частями соответствующих независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.

Далее некоторые термины, используемые при описании настоящего изобретения и его преимуществ, а также лежащие в основе технические предпосылки создания изобретения, будут более подробно описаны ниже.

При упоминании в настоящем документе термины «PSA» или «VPSA» следует понимать как относящиеся к соответствующему способу или соответствующему этапу способа, так и к техническому устройству, выполненному с возможностью осуществления такого способа или этапа способа, т.е. к адсорбционному модулю.

Адсорбент, используемый для PSA или VPSA, размещают в соответствующих адсорбирующих контейнерах, причем для непрерывной производственной деятельности обычно используют два или более адсорбирующих контейнера. В адсорбирующие контейнеры попеременно загружают компонент (-ы), который (-ые) должен (должны) быть адсорбированы из газообразной сжатой исходной газовой смеси в фазе адсорбции и регенерированы в фазе десорбции или регенерации, причем между этими двумя фазами также могут существовать дополнительные периоды времени, в течение которых не проводят ни загрузку, ни регенерацию, а адсорбент можно, например, продувать дополнительными потоками газа для выполнения разделения остатков газовой смеси.

В вышеупомянутой фазе адсорбции исходную газовую смесь направляют под давлением через адсорбирующий контейнер до тех пор, пока содержащийся адсорбент больше не сможет обеспечивать достаточную приемную способность для адсорбированного (-ых) компонента (-ов). Таким образом, предотвращают подачу подлежащей переработке газовой смеси, а десорбцию адсорбированного (-ых) компонента (-ов) осуществляют за счет снижения давления в фазе десорбции. VPSA отличается от традиционной PSA, как упоминалось, по существу уровнем давления ниже атмосферного, используемым в фазе десорбции, который также обычно называют «вакуумом». В некоторых случаях, например, при извлечении кислорода из воздуха, VPSA отличают по увеличенному выходу и меньшей характерной, т.е. связанной с продуктом, потребности в энергии по сравнению с традиционной PSA.

Чтобы обеспечить непрерывную производственную деятельность, адсорбирующие контейнеры соответствующей установки можно эксплуатировать в попеременном режиме таким образом, чтобы по меньшей мере один из адсорбирующих контейнеров всегда находился в фазе адсорбции и, таким образом, мог бы обеспечивать получение продукта. Однако в этом случае также могут случаться периоды времени, в течение которых продукт не выпускается, например, при выравнивании давления или повышении давления. В этом случае можно использовать, например, буферы продукта. Однако это и попеременное функционирование в целом не является абсолютно необходимым.

Продукты на основе богатого кислородом воздуха накапливаются при PSA или VPSA в фазе адсорбции из-за более слабой адсорбции кислорода и поэтому образуются при определенном давлении, которое соответствует давлению подачи на PSA или VPSA минус потери давления.

В используемой в настоящем документе терминологии жидкости и газы также можно обогащать или обеднять одним или более компонентами, причем эти термины относятся к содержанию в исходной жидкости или исходном газе, из которых были извлечены рассматриваемые жидкость или газ. Жидкость или газ считаются обогащенными, если они имеют по меньшей мере 1,1-кратное, 1,5-кратное, 2-кратное, 5-кратное, 10-кратное, 100-кратное или 1000-кратное содержание соответствующего компонента, и обедненными, если они имеют самое большее 0,9-кратное, 0,5-кратное, 0,1-кратное, 0,01-кратное или 0,001-кратное содержание соответствующего компонента в расчете на исходную жидкость или исходный газ. Если в настоящем документе в качестве примера упоминается термин «кислород», следует понимать, что он также означает жидкость или газ, который богат кислородом, но не должен состоять исключительно из него.

В настоящей заявке термины «уровень давления» и «уровень температуры» используются для характеристики значений давления и температуры, что означает необязательное использование соответствующих значений давления и температуры в соответствующей системе в виде точных значений давления или температуры для реализации идеи изобретения. Однако такие значения давления и температуры, как правило, находятся в пределах определенных диапазонов, которые составляют, например, ±1%, 5%, 10% или 20% относительно среднего значения. В этом случае соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в несвязанных диапазонах или в диапазонах, которые перекрывают друг друга. В частности, в уровнях давления учитываются неизбежные потери давления. То же самое относится и к уровням температуры. Уровни давления, указанные в настоящем документе в барах, представляют собой абсолютные давления.

Под продуктом разделения воздуха в настоящем документе понимается компонент или смесь компонентов в газообразном или жидком состоянии, которые могут быть образованы путем разделения воздуха (подаваемого воздуха), в частности криогенного разделения, или PSA, или VPSA. Таким образом, продукт разделения воздуха отличается, в частности, тем, что он имеет состав, отличный от атмосферного воздуха, но, в частности, не имеет каких-либо дополнительных компонентов по сравнению с атмосферным воздухом.

Преимущества изобретения

Как уже объяснялось, в слое, образованном для удаления азота при PSA или VPSA для переработки воздуха или соответствующей азотсодержащей газовой смеси, образуются сравнительно большая или длинная зона уравновешивания и сравнительно короткая зона массообмена, причем последняя характеризуется резкими градиентами концентрации. Последнее относится, в частности, к концу фазы адсорбции.

В зоне уравновешивания необходимо поддерживать низкую потерю давления и высокую объемную емкость для адсорбируемого азота, тогда как кинетика массообмена (по-прежнему) играет меньшую роль в зоне уравновешивания. Напротив, в зоне массообмена также необходимо поддерживать низкую потерю давления, но в то же время низкую склонность адсорбирующих тел к мобилизации (так называемое «сморщивание» самого верхнего слоя) и особенно преимущественную кинетику массообмена для достижения достаточной чистоты продукта. Как упоминалось в самом начале, эти условия представляют собой частично противоречащие цели, если единственной переменной выбора в качестве контролируемых переменных служит только размер или диаметр адсорбирующих тел.

Итак, настоящее изобретение основано на открытии того, что особое преимущество для описанной предпосылки создания изобретения заключается в обеспечении области адсорбционного модуля, соответствующей зоне уравновешивания, гомогенными традиционными, в частности, сферическими адсорбирующими телами, а, с другой стороны, в обеспечении области, соответствующей зоне массообмена, адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке», уже описанными в самом начале. Тем не менее в альтернативном варианте осуществления обе зоны также могут быть обеспечены адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке», которые, однако, имеют разные соотношения между пористым адсорбирующим материалом и непористым неадсорбирующим материалом. В каждом случае обе зоны представляют собой расположенные последовательно по направлению потока зоны слоя, выполненного с возможностью удаления азота из соответствующей газовой смеси. В частности, этот слой может примыкать по направлению потока к слою, который используют для удаления воды и любых примесей. Однако последний слой также можно исключить, если применимо, например, когда высушенную или очищенную газовую смесь уже используют в рамках объема настоящего изобретения.

В целом в настоящем изобретении предложен способ переработки газообразной азотсодержащей исходной газовой смеси путем адсорбции при переменном давлении. Как уже отмечалось несколько раз, исходная газовая смесь может, в частности, представлять собой воздух с обычным содержанием кислорода, азота, благородных газов и других компонентов; однако настоящее изобретение в принципе также можно использовать для переработки других, в частности соответственно богатых азотом, газовых смесей, как описано выше. Адсорбция при переменном давлении, используемая в рамках объема настоящего изобретения, представляет собой, в частности, адсорбцию при переменном вакуумметрическом давлении; в фазе регенерации газовую смесь при давлении ниже атмосферного, таким образом, извлекают из контейнеров-адсорберов или адсорбционных модулей, используемых в рамках объема настоящего изобретения, для чего может быть предусмотрен соответствующий вакуумный насос. Как уже упоминалось выше, дополнительные сведения о соответствующих способах приведены в соответствующей технической литературе.

В рамках настоящего изобретения использованную исходную газовую смесь временно направляют под давлением по направлению основного потока через адсорбционный модуль, заполненный адсорбирующим материалом. Как общеизвестно, адсорбционные установки, используемые для переработки газовых смесей, могут иметь два или более адсорбционных модулей (адсорбционных контейнеров), которые затем работают в попеременном режиме работы, как описано выше. Это также может входить в объем настоящего изобретения. Таким образом, все пояснения, сделанные для «одного» адсорбционного модуля аналогичным образом относятся ко множеству адсорбционных модулей в соответствующей установке. В настоящем документе термин «основное направление потока» относится к направлению вдоль оси между точкой подачи в адсорбционный модуль и точкой отбора соответствующей газовой смеси. Это основное направление потока соответствует направлению потока, в котором молекулы газа направляются или протекают в соответствующем адсорбционном модуле в целом или в виде среднего направления движения независимо от локальных возмущений и турбулентностей.

Для преодоления вышеописанных недостатков в настоящем изобретении предложено обеспечение адсорбирующего материала преимущественно или исключительно в виде первых адсорбирующих тел в первой области вдоль основного направления потока в адсорбционном модуле и обеспечение адсорбирующего материала преимущественно или исключительно в виде вторых адсорбирующих тел во второй области вдоль направления основного потока и ниже по потоку от первой области. По меньшей мере вторые адсорбирующие тела, которые расположены дополнительно ниже по потоку, в соответствии с настоящим изобретением обеспечены в виде композитных тел, которые имеют внутреннюю сердцевину из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него. В этом случае вторые адсорбирующие тела имеют меньшую долю адсорбирующего материала в объеме тела, чем первые адсорбирующие тела.

Первые адсорбирующие тела, расположенные дополнительно выше по потоку, также могут быть выполнены в виде композитных тел и, таким образом, имеют внутреннюю сердцевину, изготовленную из непористого неадсорбирующего материала, и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него. Однако в этом случае в первых адсорбирующих телах внутренняя сердцевина занимает меньшую долю объема тела, чем во вторых адсорбирующих телах.

Впрочем, также возможно, чтобы первые адсорбирующие тела были выполнены в виде гомогенных адсорбирующих тел, имеющих адсорбирующий материал или сформированных из адсорбирующего материала. Таким образом, в этом случае доля адсорбирующего материала в объеме тела также меньше во вторых адсорбирующих телах, чем в первых адсорбирующих телах. Эти гомогенные адсорбирующие тела могут, в частности, быть сферическими и иметь размеры, описанные ниже.

Композитные тела, которые используют в качестве вторых адсорбирующих тел и также могут быть использованы в качестве первых адсорбирующих тел, представляют собой типичные адсорбирующие тела типа «ядро в оболочке», как описано выше со ссылкой на соответствующую патентную литературу. Поэтому сделана явная ссылка на пояснения выше и, в частности, на фиг. 4.

В рамках объема настоящего изобретения первая область соответствует, в частности, зоне уравновешивания, а вторая область соответствует, в частности, зоне массообмена в соответствующем адсорбционном модуле или слое для удаления азота. Как описано выше, в настоящем случае, в частности, для переработки воздуха в качестве исходной газовой смеси перед таким слоем для удаления азота может быть предусмотрен дополнительный слой, в частности для удаления воды и других примесей. Это необязательно относится к случаю подачи в процесс уже высушенного или очищенного воздуха вместо влажного или загрязненного воздуха.

Применение гомогенных первых адсорбирующих тел с относительно большим диаметром частиц более 2 мм в первой области позволяет, в частности, достичь более высокой объемной пропускной способности и более низкой потери давления с помощью настоящего изобретения. Напротив, особенно хорошей кинетики массообмена можно достичь за счет использования вторых адсорбирующих тел, выполненных в виде композитных тел, во второй области. Благодаря использованию композитных тел нет необходимости в том, чтобы вторые адсорбирующие тела имели (относительно) малый диаметр частиц, например менее 2 мм, чтобы добиться этого, поскольку в них присутствует инертная сердцевина. Это обеспечивает низкий уровень потери давления и меньший риск возникновения мобилизации в данном случае. Поскольку соответствующая вторая область находится ниже по потоку от зоны уравновешивания, ранее приведенный недостаток, заключающийся в меньшем количестве адсорбирующего материала, в данном случае играет меньшую роль, поскольку уже было достигнуто значительное снижение содержания азота и, следовательно, необходимо адсорбировать только остаточные количества азота. Таким образом, в этом варианте осуществления в настоящем изобретении сочетаются преимущества гомогенных адсорбирующих тел, которые заключаются в связи с настоящим изобретением, в частности, в большом количестве в них адсорбирующего материала с легко регулируемой при этом потерей давления, с преимуществами соответствующих адсорбирующих тел типа «ядро в оболочке», которые были описаны выше. Однако соответствующие преимущества также аналогичным образом способствуют использованию композитных тел в качестве первых адсорбирующих тел, если они содержат более высокую долю пористого и адсорбирующего материала по сравнению со вторыми адсорбирующими телами.

Преимущества, достигаемые в соответствии с настоящим изобретением, основаны, в частности, на том факте, что достигается почти постоянная концентрация азота в зоне уравновешивания соответствующего адсорбционного модуля, в частности в конце фазы адсорбции. Парциальное давление, которое представляет собой возмущающую силу адсорбции азота на адсорбирующем материале, является достаточно высоким для кинетических эффектов, чтобы играть вторичную роль, а также для сравнительно большого количества адсорбируемого азота. С другой стороны, парциальное давление азота в зоне массообмена значительно ниже, и, следовательно, требуется быстрая кинетика переноса. Последнее обеспечивается, в частности, адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке» без риска возникновения мобилизации в процессе. Эти обстоятельства также подробно описаны со ссылкой на прилагаемые фиг. 2 и 3.

Дополнительным преимуществом использования композитных тел является демпфирование колебаний температуры в насадочном слое. Поскольку процесс адсорбции представляет собой экзотермический процесс, температура адсорбирующего материала повышается во время адсорбции. Такое повышение температуры действует как тормоз для процесса адсорбции. При использовании композитных тел часть полученного тепла проходит к внутренней сердцевине. Таким образом, повышение температуры в наружном слое является сравнительно меньшим. Аналогичное явление можно наблюдать при регенерации (десорбции) материала. Десорбция представляет собой эндотермический процесс, и температура адсорбирующего материала снижается во время десорбции. Низкая температура, в свою очередь, неблагоприятна для десорбции. Колебания температуры при этом также ограничены внутренней сердцевиной. Таким образом, в обоих случаях внутренняя сердцевина в определенной степени выполняет функцию буфера, который ограничивает колебания температуры.

Как уже упоминалось, материал типа «ядро в оболочке» композитных тел состоит из неадсорбирующего непористого инертной сердцевины и адсорбирующего пористого наружного слоя, содержащего адсорбирующий материал. Быстрая кинетика в значительной степени определяется толщиной этого наружного слоя. Для получения относительно тонкого наружного слоя объемная доля адсорбирующего материала во вторых адсорбирующих телах во второй области должна составлять до 60%, например от 10 до 50%, или от 20 до 40%, или приблизительно 50%, от объема тела адсорбирующих тел.

Как упоминалось, первые адсорбирующие тела можно формировать из гомогенного материала (объемная доля адсорбирующего материала 100%), но также и из материала типа «ядро в оболочке». В последнем случае наружный слой адсорбирующих тел должен быть преимущественно толстым, чтобы не допустить слишком большого снижения объемной емкости. Это означает, что объемная доля адсорбирующего материала должна составлять по меньшей мере 60%, например от 70 до 90% или приблизительно 80%.

В представленной ниже таблице, в которой также частично использованы обозначения в соответствии с фиг. 4, приведены примеры значений для соответствующих первого и второго адсорбирующих тел, которые в данном случае выполнены в виде композитных тел.

Таблица 1

Первое адсорбирующее тело Второе адсорбирующее тело Диаметр внутренней сердцевины (d) 1,6 мм 1,5 мм Объем внутренней сердцевины (V_сердц.) 2,1 мм³ 1,8 мм³ Диаметр композитного тела (D) 2,5 мм 2,0 мм Объем тела композитного тела (V_тело) 8,2 мм³ 4,2 мм³ Толщина наружного слоя (h) 0,45 мм 0,25 мм Объемная доля адсорбирующего материала Приблиз. 74% Приблиз. 57%

В целом в рамках объема настоящего изобретения можно достичь особенно высокой пропускной способности соответствующей установки, в частности, при использовании VPSA, причем, в частности, можно достичь более короткого времени цикла. Это приводит к значительному снижению инвестиционных и эксплуатационных расходов.

В частности, в рамках объема настоящего изобретения адсорбирующий материал может быть выбран из группы, состоящей из активированного оксида алюминия, цеолитов, материалов с мезопорами, углеродных молекулярных сит и их смесей.

Напротив, внутренняя сердцевина композитных тел может, в частности, содержать материал, который выбран из группы, состоящей из металлов, оксида металла, смешанных оксидов, плотных оксидов керамики, таких как кордерит, перовскит, спеченных глин, таких как каолин, аттапульгит, кремнеземы, оксиды алюминия, кремнезем-оксид алюминия, кремнезем-оксид магния, кремнезем-оксид циркония, кремнезем-оксид пурия, кремнезем-оксид бериллия, кремнезем-оксид титана, а также тройные композиции, такие как кремнезем-оксид алюминия-оксид тория, кремнезем-оксид алюминия-оксид циркония и их смесей. С помощью таких материалов можно получать особенно преимущественные свойства соответствующих композитных тел.

В рамках объема настоящего изобретения первая область и вторая область могут вместе иметь (общую) длину, в которой первая область составляет от 40 до 80%. В частности, первая область может быть в 0,5 раза, в 1 раз или в 2 раза больше второй области, причем также могут быть включены промежуточные значения между соответственно упомянутыми значениями. Точные размеры позволяют, в частности, учитывать зону уравновешивания и зону массообмена в соответствующем адсорбционном модуле.

Таким образом, в рамках объема настоящего изобретения первую область формируют такого размера, чтобы она соответствовала зоне уравновешивания для азота в адсорбционном модуле, а вторую область формируют, в частности, такого размера, чтобы она соответствовала зоне массообмена для азота в адсорбционном модуле, что дает особое преимущество. Конкретные преимущества соответствующего выбора адсорбирующих тел в соответствующих зонах, которые выполнены в соответствии с изобретением, уже были подробно описаны выше.

В рамках объема настоящего изобретения можно обеспечить, в частности, определение длины зоны уравновешивания и длины зоны массообмена, в частности, заранее, для чего можно применять экспериментальные способы и/или имитационные способы. Определение соответствующих длин или размеров легко доступно специалисту в данной области и не требует сложной и обладающей признаками изобретения стадии. В рамках объема настоящего изобретения первое и второе адсорбирующие тела могут быть сферическими и/или иметь минимальный диаметр 2 мм. Размер вторых адсорбирующих тел может соответствовать размеру первых адсорбирующих тел или вторые адсорбирующие тела могут быть меньше вторых адсорбирующих тел. Выбор соответствующего подходящего размера частиц зависит, в частности, от критериев, описанных выше, в частности от желаемой кинетики массообмена в сочетании с желаемой потерей давления.

Как в целом известно из области технологии адсорбции и поэтому упоминается в настоящем документе исключительно для полноты описания, множество адсорбционных модулей в соответствующей установке можно, в частности, также использовать в рамках объема настоящего изобретения, и они могут работать в попеременном режиме работы. Как также объяснено несколько раз, в качестве исходной газовой смеси можно использовать, в частности, воздух, а первая и вторая ранее описанные зоны могут представлять собой часть слоя для удаления азота в соответствующем адсорбционном модуле, смежного со слоем для удаления воды в адсорбционном модуле. В этом случае слой для удаления воды можно снабжать подходящим адсорбирующим материалом, пригодным для удаления воды.

Настоящее изобретение дополнительно распространяется на установку для переработки газообразной азотсодержащей исходной газовой смеси. По дополнительным признакам такой установки даны ссылки на соответствующий независимый пункт формулы изобретения. В частности, такая установка выполнена с возможностью осуществления способа, как описано ранее в различных вариантах осуществления. Поэтому сделана явная ссылка на пояснения выше.

Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых показан вариант осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 показан адсорбционный модуль в процессе использования для переработки воздуха.

На фиг. 2 представлен градиент концентрации азота в адсорбционном модуле в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 3 показана загрузка азота в адсорбционный модуль в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 4 в упрощенном схематическом изображении показано адсорбирующее тело, выполненное в виде композитного тела.

Подробное описание графических материалов

На фигурах компоненты, соответствующие функционально или структурно друг другу, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и для ясности не разъясняются повторно. Очевидно, что при описании ниже компонентов установок и систем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эти пояснения аналогичным образом относятся к способам в соответствии с изобретением и их вариантам осуществления.

Соответственно, графические материалы относятся к вариантам осуществления, в которых первые адсорбирующие тела выполнены в виде гомогенных адсорбирующих тел, т.е. не в виде тел типа «ядро в оболочке» или композитных тел. Однако, как упоминалось, настоящее изобретение также может относиться к такому случаю.

На фиг. 1 схематично проиллюстрирован адсорбционный модуль в процессе использования для переработки воздуха в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и обозначен в целом позицией 100.

Адсорбционный модуль 100 может, в частности, представлять собой часть установки 10, которая указана в настоящем документе только схематически и в которой множество адсорбционных модулей 100 могут быть расположены и могут работать известным способом. В показанном примере в адсорбционный модуль 100 подают исходную газовую смесь, в частности воздух, обозначенный позицией E.

Адсорбционный модуль 100 показан в данном документе в фазе адсорбции описанного выше типа для извлечения из него смеси P продуктов. Однако в последующей фазе десорбции или регенерации адсорбированные компоненты десорбируются, в частности при давлении ниже атмосферного в случае VPSA, от адсорбирующего материала, содержащегося в адсорбционным модуле 100. За счет использования адсорбционного модуля 100 из исходной газовой смеси E можно выводить компоненты, которые хорошо адсорбируются адсорбирующим материалом, в данном случае азотом, так что смесь P продуктов обогащается кислородом или представляет собой чистый кислород.

В адсорбционном модуле 100 сформированы первый слой 101 и второй слой 102. Первый слой 101 представляет собой слой для удаления воды, несколько раз описанный выше и снабженный подходящим для этой цели адсорбирующим материалом. Второй слой 102 образует слой для удаления азота. Последний рассматривается более подробно ниже.

В процессе работы в слое 102 для удаления азота образуются зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена, как по существу известно из области технологии адсорбции. Зона 110 уравновешивания характеризуется, в частности, постоянным или по существу постоянным парциальным давлением азота, тогда как парциальное давление азота в зоне 120 массообмена снижается в виде резкого градиента.

На фиг. 2 схематично представлен градиент концентрации азота в конце фазы адсорбции в адсорбционном модуле в соответствии с вариантом осуществления изобретения, например в адсорбционном модуле 100 согласно фиг. 1, в виде графика концентрации. На графике, представленном на фиг. 2, на оси абсцисс показана длина адсорбционного модуля или соответствующего слоя адсорбента в зависимости от концентрации азота в произвольных единицах по оси ординат. И в этом случае показаны слой 101 для удаления воды, зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена слоя 102 для удаления азота (в настоящем документе не обозначены отдельно). Кривая концентрации азота обозначена позицией 201. Как также отдельно проиллюстрировано в настоящем документе, в зоне уравновешивания адсорбционного модуля 100 предусмотрены гомогенные адсорбирующие тела 111, содержащие адсорбирующий материал или сформированные из адсорбирующего материала, при этом во второй области, т.е. в зоне массообмена, предусмотрены композитные тела 121, причем композитные тела 121 содержат внутреннюю сердцевину C из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой S, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него.

Как показано на фиг. 2, концентрация азота и, таким образом, парциальное давление азота в конце адсорбции по существу постоянны в газовой фазе в зоне 110 уравновешивания слоя 102 для удаления азота. Поскольку парциальное давление азота представляет собой возмущающую силу для адсорбции азота, оно достаточно велико для того, чтобы кинетические эффекты, как уже упоминалось, играли в этом случае меньшую роль и, следовательно, азот просто адсорбировался. Это, в частности, также ясно из фиг. 3. С другой стороны, концентрация азота или соответствующее парциальное давление в зоне 120 массообмена значительно ниже, и, следовательно, требуется быстрая кинетика. Как указано выше, композитные тела, используемые в настоящем документе, удовлетворяют этим требованиям.

На фиг. 3 в виде соответствующей схемы представлена загрузка азота в адсорбционный модуль в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На схеме, представленной на фиг. 3, на оси абсцисс снова показана длина адсорбционного модуля или слоя адсорбента, но в данном случае в зависимости от значения по оси ординат, характеризующего загрузку адсорбирующего материала. И в этом случае в настоящем документе показаны слой 101 для удаления воды, а также зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена слоя для удаления азота, которые также не обозначены отдельно. Кривая, соответствующая загрузке адсорбирующего материала, обозначена позицией 301. Как можно видеть, в частности из фиг. 3, при настоящих условиях возможна полная или практически полная загрузка адсорбирующим материалом всей зоны уравновешивания.

На фиг. 4 в упрощенном схематическом изображении показано адсорбирующее тело, выполненное в виде композитного тела. Это композитное тело обозначено как и выше позицией 121 и содержит внутреннюю сердцевину C и наружный слой S. При этом D обозначает диаметр композитного тела 121, который определяет «объем тела» в рамках значения, описанного выше. Диаметр внутренней сердцевины C обозначен как d. Это дает толщину наружного слоя S, обозначенную как h.

Изобретение относится к способу переработки газовой смеси путем адсорбции при переменном давлении, в частности путем адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, а также к соответствующей установке. Исходную газовую смесь временно направляют под давлением по направлению основного потока через адсорбционный модуль (100), заполненный адсорбирующим материалом. В первой области (110) вдоль направления основного потока предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде первых адсорбирующих тел; во второй области (120) вдоль направления основного потока и ниже по потоку от первой области (110) предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде вторых адсорбирующих тел; причем по меньшей мере вторые адсорбирующие тела выполнены в виде композитных тел, которые имеют внутреннюю сердцевину из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него; а вторые адсорбирующие тела имеют меньшую долю адсорбирующего материала в объеме тела, чем первые адсорбирующие тела. Технический результат изобретения - обеспечение улучшенной переработки газовых смесей. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ переработки газообразной азотсодержащей исходной газовой смеси (E) путем адсорбции при переменном давлении, в котором исходную газовую смесь временно направляют под давлением по направлению основного потока через адсорбционный модуль (100), заполненный адсорбирующим материалом, отличающийся тем, что: в первой области (110) вдоль направления основного потока предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде первых адсорбирующих тел (111), во второй области (120) вдоль направления основного потока и ниже по потоку от первой области (110) предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде вторых адсорбирующих тел (121), причем по меньшей мере вторые адсорбирующие тела (121) выполнены в виде композитных тел, которые имеют внутреннюю сердцевину (C) из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой (S), содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него, а вторые адсорбирующие тела (121) имеют меньшую долю адсорбирующего материала в объеме тела, чем первые адсорбирующие тела (111).

2. Способ по п. 1, в котором первые адсорбирующие тела (111) также предусмотрены в виде композитных тел, имеющих внутреннюю сердцевину из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него, причем наружный слой занимает большую долю объема тела в первых адсорбирующих телах (111), чем во вторых адсорбирующих телах (121).

3. Способ по п. 2, в котором объемная доля пористого адсорбирующего материала составляет от 50 до 60% объема тела во вторых адсорбирующих телах (121) и более 70% объема тела в первых адсорбирующих телах (111).

4. Способ по п. 1, в котором первые адсорбирующие тела выполнены в виде гомогенных адсорбирующих тел, содержащих адсорбирующий материал или сформированных из адсорбирующего материала.

5. Способ по п. 4, в котором первые адсорбирующие тела имеют диаметр более 2 мм.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором адсорбирующий материал выбран из группы, состоящей из активированного оксида алюминия, цеолитов, материалов с мезопорами, углеродных молекулярных сит и их смесей.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором внутренняя сердцевина (C) содержит материал, который выбран из группы, состоящей из металлов, оксида металла, смешанных оксидов, плотных оксидов керамики, таких как кордерит, перовскит, спеченных глин, таких как каолин, аттапульгит, кремнеземы, оксиды алюминия, кремнезем-оксид алюминия, кремнезем-оксид магния, кремнезем-оксид циркония, кремнезем-оксид пурия, кремнезем-оксид бериллия, кремнезем-оксид титана, а также тройные композиции, такие как кремнезем-оксид алюминия-оксид тория, кремнезем-оксид алюминия-оксид циркония и их смесей.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором первая область (110) и вторая область (120) вместе имеют длину, в которой первая область составляет от 40 до 80%.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором первую область (110) формируют такого размера, чтобы она соответствовала зоне уравновешивания для азота в адсорбционном модуле (100), а вторую область (120) формируют такого размера, чтобы она соответствовала зоне массообмена для азота в адсорбционном модуле (100).

10. Способ по п. 9, включающий экспериментальное и/или имитационное определение длины зоны уравновешивания и длины зоны массообмена.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором каждое из первого и/или второго композитных тел имеет сферическую форму и/или имеет минимальный диаметр 2 мм.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в качестве исходной газовой смеси (E) используют воздух.

13. Способ по п. 9, в котором первая и вторая зоны (110, 120) представляют собой часть слоя (102) для удаления азота, который примыкает к слою (101) для удаления воды в адсорбционном модуле (100).

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, который реализован как способ адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении.

15. Установка (10) для переработки азотсодержащей исходной газовой смеси (E) посредством адсорбции при переменном давлении, имеющая адсорбционный модуль (100), заполненный адсорбирующим материалом и оснащенный средствами, выполненными с возможностью временного направления исходной газовой смеси под давлением по направлению основного потока через адсорбционный модуль (100), отличающаяся тем, что: в первой области (110) вдоль направления основного потока предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде первых адсорбирующих тел (111), во второй области (120) вдоль направления основного потока и ниже по потоку от первой области (110) предусмотрен адсорбирующий материал преимущественно или исключительно в виде вторых адсорбирующих тел (121), причем по меньшей мере вторые адсорбирующие тела (121) выполнены в виде композитных тел, которые имеют внутреннюю сердцевину (C) из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой (S), содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него, а вторые адсорбирующие тела (121) имеют меньшую долю адсорбирующего материала в объеме тела, чем первые адсорбирующие тела (111).