Способ магнитной очистки газов от кислорода и магнитный адсорбер для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК B01D53/04 B01D171/20 

Изобретение относится к очистке газов, преимущественно инертных газов и водорода, от кислорода и может быть использовано в области химического машиностроения для очистки как газообразных, так и сжиженных инертных газов.

Цель изобретения - управление процессом поглощения кислорода и обеспечение более равномерной по объему адсорбента концентрации поглощенного кислорода.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - переключающее устройство; на фиг. 3 - графики изменения по времени намагниченности I сорб- ционных частиц и графики зависимости намагниченности i от напряжения Н внешнего магнитного поля; на фиг. 4 - графики изменения по времени силы тока i. в катушках электромагнитов (пунктирной линией показано изменение тока на выходе источника переменного напряжения); на фиг. 5 - графика двух процессов намагничивания, для

шее устройство 29 выполнено на основе микропроцессора и имеет в своем составе средства для определения мгновенной величины напряжения, устройства для измерения частоты переменного тока, синхронизирующие устройства, устройства для преобразователя управляющих сигналов микропроцессора в команды «Включения переключающих элементов. Все элементы управляющего устройства 29 выполнены на базе известных

которых одинаковы произведения частоты 10 технических рещений. Управляющее устрой- перемагничивания на среднюю по времениство соединено с регуляторами 27 и 28 ливеличину квадрата намагниченности частиц, но различны работы перемагничивания (а

следовательно, и тепловой эффект перемагниями управления, а с выходами источников 25 и 26 напряжения измерительными . .,линиями. Катушки электромагнитов 5-10

ничивания) и средние по времени намагни- g равномерно распределены вдоль корпуса 1 ченности частиц; на фиг. 6 - графики изме-который имеет входной 30 и выходной 3l

нения п о длине адсорбера, от входа газа в адсорбер до выхода из адсорбера - величин: произведения П частоты перемагничивания на среднюю по времени величину квадрата намагниченности, средней по величине на- 20 магниченности сорбента Ър, температура сорбента Тс, температуры очищаемого газа Tj, концентрации С поглощенного кислорода; на фиг. 7 - магнитные поля между частицами сорбента и парамагнитные силы, дей-лельно «включаются переключающие эле- ствующие на молекулы кислорода; на менты 16, 17, 19 и-20. Для последователь- фиг. 8 - парамагнитные силы и силы моле-ного соединения тех же электромагнитов

«включаются элементы 16, 19 и 24, остальные «отключены. Для увеличения намагниченности частиц сорбента 4 входа в адсорбер до выхода из него, соответственно от входа к выходу увеличивается количество электромагнитов, подключенных к источнику 25 напряжения параллельно. Например, вбли-

патрубки.

Магнитный адсорбер работает следующим образом.

По командам устройства 29 элементы 14-24 либо коммутируют подсоединенные к ним линии («включаются), либо разъединяют подсоединенные к ним линии («отключаются). Для подсоединения к источнику 25 напряжения электромагнитов 6, 7 паралкулярного притяжения, действующие на молекулы кислорода на поверхности адсорбента; на фиг. 9 - наиболее оптимальная конструкция гранул магнитного адсорбента; на OQ фиг. 10-наиболее оптимальное расположение таких гранул в адсорбере.

Для реализации предлагаемого способа используется магнитный адсорбер, содержащий корпус 1 из магнитопроницаемого материала и поярусно расположенные в нем 35 диски 2 с отверстиями 3 для прохода очищаемого газа и расположенными между ними намагничивающимися частицами 4, электромагнитную систему, состоящую из отдельных электромагнитов 5-10. Намагниченные

зи входного патрубка 30 восемь электромагнитов соединены последовательно и ни одного параллельно, следующие электромагниты подсоединены четырьмя группами по два -электромагнита, соединенных последовательно, к источнику 25. Возле выходного патрубка 31 все электромагниты подсоединены параллельно к источнику 25 напряжения.

сорбционные частицы представляют собой 40 g целях экономии электроэнергии, после на- ферромагнитные грануль 11, на которые на-магничивания сорбционных частиц до заданной величины, электромагниты могут отключаться от источника 25. Для обеспечения

несен слой адсорбента 12, например активированный уголь или окись марганца вместе с окисью алюминия, пиромозит. Катущки электромагнитов 5-10 соединены с переключающим устройством 13, причем в переключающем устройстве катущки соединяются как последовательно, так и параллельно с помощью переключающих элементов 14-24 типа тиристоров. Через переключающее устзаданного алгоритма перемагничивания сор- 45 бента управляющее устройство 29 подает сигнал на включение переключающих элементов 14-24 или же на их отключение в строго определенные моменты времени. Моменты включения и отключения синхронизируются таким образом, чтобы пульсации

ройство 13 к катущкам электромагнитов 5- gQ возникающего в электромагнитах тока обес10 подключены источники постоянного 25 или переменного 26 напряжения. Источник 25 постоянного напряжения снабжен регулятором 27 полярности и величины напряжения, а источник 26 переменного напряжения

печивали бы заданный процесс изменения напряженности магнитного поля электромагнитов (фиг. 3 и 4). Под действием этого поля происходит заданный процесс перемагничивания сорбента. Чем выше частота переснабжен регулятором 28 величины и часто- 55 магничивания и амплитуда намагниченности.

ты изменения напряжения. Переключаю щие элементы 14-24 (тиристоры) соединены с управляющим устройством 29. Управляютем больще мощность потока энергии, подводимой к сорбенту мг1нитным полем катущек. Чем выше эта мощность, тем большее устройство 29 выполнено на основе микропроцессора и имеет в своем составе средства для определения мгновенной величины напряжения, устройства для измерения частоты переменного тока, синхронизирующие устройства, устройства для преобразователя управляющих сигналов микропроцессора в команды «Включения переключающих элементов. Все элементы управляющего устройства 29 выполнены на базе известных

технических рещений. Управляющее устрой- ство соединено с регуляторами 27 и 28 ли равномерно распределены вдоль корпуса 1 который имеет входной 30 и выходной 3l

лельно «включаются переключающие эле- менты 16, 17, 19 и-20. Для последователь- ного соединения тех же электромагнитов

патрубки.

Магнитный адсорбер работает следующим образом.

По командам устройства 29 элементы 14-24 либо коммутируют подсоединенные к ним линии («включаются), либо разъединяют подсоединенные к ним линии («отключаются). Для подсоединения к источнику 25 напряжения электромагнитов 6, 7 парал«включаются элементы 16, 19 и 24, остальные «отключены. Для увеличения намагниченности частиц сорбента 4 входа в адсорбер до выхода из него, соответственно от входа к выходу увеличивается количество электромагнитов, подключенных к источнику 25 напряжения параллельно. Например, вбли-

зи входного патрубка 30 восемь электромагнитов соединены последовательно и ни одного параллельно, следующие электромагниты подсоединены четырьмя группами по два -электромагнита, соединенных последовательно, к источнику 25. Возле выходного патрубка 31 все электромагниты подсоединены параллельно к источнику 25 напряжения.

g целях экономии электроэнергии, после на- магничивания сорбционных частиц до заданзаданного алгоритма перемагничивания сор- бента управляющее устройство 29 подает сигнал на включение переключающих элементов 14-24 или же на их отключение в строго определенные моменты времени. Моменты включения и отключения синхронизируются таким образом, чтобы пульсации

возникающего в электромагнитах тока обесвозникающего в электромагнитах тока обеспечивали бы заданный процесс изменения напряженности магнитного поля электромагнитов (фиг. 3 и 4). Под действием этого поля происходит заданный процесс перемагничивания сорбента. Чем выше частота перемагничивания и амплитуда намагниченности.

магничивания и амплитуда намагниченности.

тем больще мощность потока энергии, подводимой к сорбенту мг1нитным полем катущек. Чем выше эта мощность, тем больше температура сорбента. Для характеристики мощности потока энергии к сорбенту используется произведение П средней по времени величины квадрата намагниченности частиц на частоту перемагничивания (или намагничивания - размагничивания)

(i) dt,(1)

t о

где V - частота перемагничивания; I - намагниченность сорбента; t - время.

Однако, возможны случаи, когда при равенстве величин П в двух процессах перемагничивания совершаются различные по величине работы перемагничивания (фиг. 5). Работа перемагничивания пропорциональна площади по кривым 32 и 33 в координатах: намагниченность сорбента , напряженность внешнего магнитного поля Н. Для исключе15 через входной патрубок 30 поступает для очистки от кислорода гелий, полученный из природных газов. Изменение вдоль длины адсорбера произведения П частоты перемагничивания сорбента на среднюю по времени величину квадрата намагниченности иллюния возможности возникновения подобных 20 стрируется криво й 39, средняя по времени

случаев процесс перемагничивания сорбента осуществляется таким образом, чтобы кроме увеличения от выхода к входу в адсорбер величины П, от входа к выходу увеличинамагниченность К-р - кривой 40, температура адсорбента - 42, температура гелия - кривой 41, концентрация поглощенного кислорода - кривой 43. Снижая от входа газа

валась бы средняя по времени намагничен- jg адсорбер к выходу температуру адсорбенность ICP адсорбента;

. i.

Icp J- 5 I dt,

где I - намагниченность;

t - время.

При соблюдении условий (1) и (2) мощность потока энергии магнитного поля к частоте адсорбента уменьшается от входа к выходу из адсорбера, вследствие чего таким же образом изменяется температура адсорбента.

Кроме того, при увеличении намагниченности дополнительно увеличивается концентрация поглощенного кислорода. Этому способствует парамагнитное взаимодействие. Молекулы кислорода 34 притягиваются к полюсам ферромагнитных гранул дальнодейта и повышая намагниченность сорбционных частиц, управляя, таким образом, поглоще- (2)нием кислорода, можно добиться равномерной по объему концентрации поглощенного кислорода, что способствует рациональному

30 использованию объема с адсорбента.

Регенерация адсорбента может выполняться двумя способами: разогревом адсорбента горячим инертным газом-при сохранении намагниченного состояния частиц, или же перемагничиванием частиц в ат.мосфере

35 инертного газа. Во всех этих случаях температура адсорбента должна быть выше точки Кюри для кислорода (около 80°С) и не выще точки Кюри для ферромагнитного материала гранул (для многих ферромагнитных материалов можно ограничиться верхним диапа45

ствующими силами 35. На расстоянии 40 зоном температуры 300°С). При температуре трех-четырех диаметров молекулы от поверхности адсорбента молекулы 34 притягиваются к адсорбенту близкодействующими силами молекулярного притяжения 36 и адсорбируются. Адсорбированные на поверхности активированного угля молекулы кислорода при совместном действии парамагнитных сил 35 и сил межмолекулярного притяжения 36 с результатирующей силой 37 втягиваются по каналам адсорбента в глубину адсорбционной частицы. При этом плотнее, чем в немагнитном сорбенте, заполняются кислородом внутренние поры. При этом уменьшается концентрация поглощенных горючих газов, которые по отношению к кислороду диамагнитны и выталкиваются из адсорбента диамагнитными силами. Поэтому концентрация других поглощенных газов будет меньше, чем при немагнитном сорбенте. Это повыщает безопасность.

50

55

выще точки Кюри кислород становится диамагнитным и выталкивается из адсорбента магнитным полем. Конкретные значения температуры нагрева выбираются из соображений безопасности или из соображения экономии электроэнергии.

По сравнению с известными способами и устройствами для очистки инертных газов и водорода от кислорода предлагаемое техническое решение позволяет управлять процессом поглощения кислорода с помощью электромагнитного поля, применяя при этом электромагниты и электрические средства управления ими. Электрические средства управления могут быть построены на базе микропроцессоров, что позволяет автоматизировать весь процесс очистки. Предлагаемый способ управления поглощением наименее инерционен по сравнению с известными.

Так как градиент напряженности магнитного поля больше всего вблизи полюсов магнита, наиболее эффективной будет такая конструкция зерен с адсорбента, в которой

большую часть поверхности ферромагнитной гранулы занимают магнитные полюса. Наилучшая форма ферромагнитной гранулы - магнитная пластинка 38 («магнитный лист). Соответственно и адсорбент наносится только на полюсах (фиг. 9). Такая конструкция является оптимальной. Наилучший способ размещения таких зерен адсорбента - когда магнитная пластина 38 параллельна потоку очишаемого газа (фиг. 10).

На фиг. 6 изображен адсорбер, в который

через входной патрубок 30 поступает для очистки от кислорода гелий, полученный из природных газов. Изменение вдоль длины адсорбера произведения П частоты перемагничивания сорбента на среднюю по времени величину квадрата намагниченности иллю

стрируется криво й 39, средняя по времени

стрируется криво й 39, средняя по времени

намагниченность К-р - кривой 40, температура адсорбента - 42, температура гелия - кривой 41, концентрация поглощенного кислорода - кривой 43. Снижая от входа газа

адсорбер к выходу температуру адсорбен

зоном температуры 300°С). При температуре

выще точки Кюри кислород становится диамагнитным и выталкивается из адсорбента магнитным полем. Конкретные значения температуры нагрева выбираются из соображений безопасности или из соображения экономии электроэнергии.

По сравнению с известными способами и устройствами для очистки инертных газов и водорода от кислорода предлагаемое техническое решение позволяет управлять процессом поглощения кислорода с помощью электромагнитного поля, применяя при этом электромагниты и электрические средства управления ими. Электрические средства управления могут быть построены на базе микропроцессоров, что позволяет автоматизировать весь процесс очистки. Предлагаемый способ управления поглощением наименее инерционен по сравнению с известными.

Например, очень инерционен процесс управления поглощением за счет подогрева адсорбента теплопередачей от горячего инертного газа или от специальных нагревательных элементов. Несмотря на то, что нагревательные элементы могут быть выполнены электрическими, лишь небольшое количество зерен адсорбента будет нагреваться непосредственно от электронагревателя, остальные - за счет теплопередачи от разогретых зерен. Если учесть, что в случае разогрева обычными способами, теплоподвод осуществляется снаружи зерна адсорбента (от поверхности зерна к его сердцевине) через слой адсорбирующего материала, име- юш,его, в большинстве случаев, низкую теп- лопроводность, то разогрев «изнутри будет более предпочтительным для создания поля температур в адсорбенте, так как в этом случае тепловую энергию к адсорбенту подводит магнитное поле, слабо воздействуюшее на очищаемый газ, а не какое-то третье тело (газ, жидкость, электронагреватель), которое, кроме адсорбента, может непосредственно разогревать очищаемый газ, что в ряде случаев нежелательно. В предложенном случае к очищаемому газу подводится только тепло от адсорбционных частиц. В известной сорбционной ловушке разогрев осуществляется электромагнитным полем, однако применение этой ловушки для очистки газа от кислорода дает очень грубую степень очистки. Кроме того, в электропроводящем сорбенте ловушки наводятся объемные токи, что небезопасно вследствие возможности искрообразования. В предлагаемом устройстве слои адсорбирующего материала являются изоляторами и препятствуют образованию токов.

Управляя процессом поглощения кислорода, можно обеспечить равномерную (или любую другую) концентрацию поглощенного кислорода по всему объему адсорбента, что повышает эффективность использования объема адсорбента, повышает безопасность, так как отсутствуют зоны повышенной концентрации кислорода. Намагниченность адсорбционных частиц приводит к тому, что в них отношение количества поглощенного кислорода к другим поглощениям, диамагнитным газам, в частности горючим газам, выше, чем в зернах адсорбционных материалов. Это важно для обеспечения безопасной очистки, если в инертных газах вместе с кислородом имеются горючие газы.

0

5

В случае очистки сжиженных газов ка- тущки электромагнитов могут быть размещены внутри адсорбера и работать при низкой температуре, что снижает их электрическое сопротивление и потери электроэнергии.

Формула изобретения

1. Способ магнитной очистки газов от кислорода, включающий пропускание потока газа через слой магнитного адсорбента, помещенного в магнитное поле, с последующей регенерацией адсорбента путем нагрева, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности управления процессом поглощения кислорода и обеспечения более равномерной концентрации поглощенного кислорода по объему слоя адсорбента, нагрев адсорбента осуществляют и в период очистки, причем в слое создают градиент температуры с уменьшением ее по ходу потока, 0 перемагничиванием магнитного адсорбента, при этом величину напряженности магнитного поля устанавливают возрастающей по ходу потока.

5

5

0

5

0

5

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса регенерации, нагрев адсорбента осуществляется до температуры не ниже точки Кюри для кислорода и не выше точки Кюри для магнитного адсорбента.

3.Магнитный адсорбер для очистки газов от кислорода, содержащий корпус, поярусно расположенные в нем диски с отверстиями для прохода очищаемого газа и расположенные между дисками частицы магнитного адсорбента, магнитную систему, расположенную снаружи корпуса, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности управления процессом поглощения кислорода и обеспечения более равномерной концентрации поглощенного кислорода по объему слоя адсорбента, частицы магнитного адсорбента выполнены в виде ферромагнитных гранул с покрытием из материала, активно поглощающего кислород, пр/и этом магнитная система выполнена в виде отдельных катущек, установленных по высоте корпуса и соединенных с источниками постоянного и переменного тока через переключающее устройство с возможностью последовательного и параллельного их включения, а источники тока снабжены регуляторами полярности, величины и частоты тока.

иг. 1

J/

Изобретение относится к очистке газов, преимущественно инертных газов и водорода, от кислорода, может быть использовано в химическом машиностроении и позволяет управлять процессом поглощения кислорода и обеспечить путем этого управления более равномерную по объему адсорбера концентрацию поглощенного кислорода, а также обеспечить более высокую степень очистки от кислорода, по сравнению с известными способами магнитной очистки. Сущность изобретения заключается в управлении полем температур в объеме магнитного адсорбента и намагниченностью адсорбента путем изменения по объему и по времени напряженности внешнего магнитного поля, создаваемого электромагнитами. При очистке газов в адсорбенте температура адсорбента увеличивается от выхода из адсорбента ко входу путем увеличения произведения частоты перемагничивания (или намагничивания-размагничивания) на среднюю по времени величину квадрата намагниченности частиц адсорбента, при этом средняя по времени намагниченность частиц возрастает от входа в адсорбер к выходу (т.е. в противоположном направлении). Для регенерации адсорбента он нагревается до температуры не ниже точки Кюри для кислорода и не выше точки Кюри для магнитного адсорбента. При нагреве от постороннего источника тепла намагниченность адсорбента остается неизменной по времени, а при нагреве переменным магнитным полем - намагниченность адсорбента также является переменной. Для управления процессом поглощения кислорода и осуществления регенерации в адсорбере, содержащем корпус и поярусно расположенные в нем диски с отверстиями для прохода очищаемого газа, между дисками размещены намагничивающиеся сорбционные частицы, представляющие собой ферромагнитные гранулы, на которые нанесен слой адсорбента (например - активированный уголь). Намагничивание осуществляется с помощью электромагнитов, соединенных с переключающим устройством, причем в переключающем устройстве катушке соединяются как последовательно, так и параллельно. Для питания электромагнитов к ним, через переключающее устройство, подключаются источники постоянного или переменного напряжений, снабженные регуляторами полярности, величины и частоты изменения напряжения. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

I

/

7

:i

H

/

A.

Ь

l

:/

/

/

///

10

/

30

Фиг.З

ФигЛ

Щиг.5

30

фиг. 6

Q

X

J/

J7

фиг. 8

вид/i

38