Способ разделения воздуха Советский патент 1975 года по МПК B01D53/02 

1

Изобретение относится к способу выделения кислорода из воздуха, в частности к способу разделения воздуха и выделения кислорода методом адсорбции с помощью адсорбента для удаления влаги, двуокиси углерода и азота, содержащихся в воздухе. Предлагаемый способ- это способ разделения воздуха для непрерывного цолучения кислорода невысокой чистоты путем поглощения влаги и двуокиси углерода из воздуха ноглотителями, снабженными двухслойными адсорбентами, а затем азота природным или синтетическим цеолитом.

Известен способ выделения кислорода из воздуха адсорбционным методом с помощью адсорбционной аппаратуры с неподвижным слоем адсорбента. В аппарате с неподвижным слоем размер адсорбера увеличивается пропорционально интервалу цикла адсорбция - регенерация. Если нрименяют регенерацию нагреванием, то нагрев или охлаждение адсорбента занимает сравнительно много времени, цикл удлиняется, а размер апнаратуры увеличивается, что приводит к затруднениям при сооружении аппаратуры больщой производительности и удорожанию оборудования.

Цель изобретения - сокращение цикла разделения воздуха -но адсорбционному методу, состоящему из адсорбции, нагревания, регенерации и охлаждения; при этом количество иснользуемого адсороента снижается, а размер адсорбционного аппарата становится минимальным. Кроме того, цель изобретения - использование всего тепла адсорбции, генерируемого во время адсорбции, в виде теплоты десорбции; при этом .количество тенла, которое должно подводиться извне для регенерации, значительно уменьщается.

Это достигается за счет нодачи части продуктового кислорода низкой частоты в неподвижный слой в стадии регенерации адсорбента для поглощения влаги и двуокиси углброда с последующим выделением его в виде

продуктового кислорода низкой частоты, за счет подачи остатка кислорода ннзкой частоты в неподвижный слой в стадии охлаждения адсорбента поглощения влаги и двуокиси углерода, а затем присоединения этой части к потоку кислорода низкой частоты, выходящему из адсорбента для адсорбции азота, и подачи азота, десорбируемого из неподвижного слоя адсорбента адсорбции азота, находящегося в цикле регенерации после нагревания, в неподвижный слой адсорбента адсорбции влаги и двуокиси углерода, находящийся в стадии нагревания, а затем выброса его в атмосферу.

Иа чертеже приведена схема установки разделения воздуха, в которой может быть реализован предлагаемый способ.

Установка содержит блок для поглощения влаги и двуокиси углерода, который состоит из четырех групп обычных адсорберов 1-4 с неподвижным слоем адсорбента. Каждый адсорбер снабжен подводящей трубой 5 для воздуха, подводящей трубой 6 для нагретых газов, выводной трубой 7 для очищенного воздуха, выводной трубой 8 для продуктового газа, оодводящей трубой 9 для продуктового газа и циркулирующего охлажденного газа, выводной трубой 10 для циркулирующего газа для охлаждения и выводной трубой 11 для нагретых газов. Между каждым адсорбером и трубами установлены электромагнитные вентили, которые соединены с таймером таким образом, что каждый адсорбер может непрерывно выводить влагу и двуокись углерода при повторении четырех циклов, т. е. адсорбции, нагревания, регенерирования и охлаждения. В качестве адсорберов 12 и 13 для азота применяют обычные адсорберы с неподвижным слоем, причем они включены так, что адсорбция и регенерация в вакууме происходят непрерывно с помощью комбинации электромагнитных вентилей, приводимых таймером.

Разделение воздуха но предлагаемому способу происходит следующим образом.

Природный воздух, содержащий влагу и двуокись углерода, после удаления из него пыли фильтром 14, ноступает по трубе 15 в воздуходувку 16 для поднятия давления до необходимой для установки величины. Затем воздух через трубу 5 подают в один из адсорберов 1-4 для поглощения -влаги и двуокиси углерода. Далее сырой воздух поступает в адсорбирующий слой, состоящий из двух слоев: слоя А поглощения влаги и слоя Б поглощения двуокиси углерода. Больщая часть влаги удаляется при прохождении через слой А; оставшаяся часть влаги и двуокись углерода удаляются при прохождении через слой Б. Когда адсорбционный слой поглотит 40-50% от емкости адсорбента по влаге, его переключают вентилем на нагревание IB следующей стадии. Теплота адсорбции, выделяемая в слое сорбента, наканливается в слое адсорбента; очищенный воздух выходит при температуре, близкой к температуре входа.

В стадии нагревания десорбируемый азот, нагретый в нагревателе 17, подают по трубе 6 ;в один из адсорберов 1-4. После нагревания части входной стороны слоев Б и А, удаления адсорбционного тепла, накопившегося в слое адсорбента, в секцию адсорбции влаги, образующуюся на входе воздуха в слой А, десорбции части адсорбировавшейся влаги и достижения ночтн такой же температуры, как и у сЫрого воздуха, одновременно с удержанием влаги и двуокиси углерода, азот выходит из установки. Большая часть адсорбированной двуокиси углерода в адсорбционном слое Б во время этого процесса десорбируется. При дальнейшем переключении вентилей осуществляют регенерацию с помощью продуктового кислорода, поступающего по трубе 9. Регенерирующий поток идет через адсорбционный слой и дальше смещает высокотемпературную зону, образовавшуюся в адсорбционном слое за счет теплоты адсорбции в предыдущем цикле адсорбции при прохождении горячего десорбированного азота в стадии нагревания, в секцию поглощения влаги на стороне входа воздуха и регенерации адсорбента. Продуктовый кислород выходит из аппарата при почти такой же температуре, как и на входе воздуха, и содержит десорбированную влагу и двуокись углерода. Адсорбцио)ный слой носле этого переводят на стадню охлаждения.

, В стадии охлаждения часть продуктового газа, подлежащего циркуляции в виде охлаждающего газа, поступает в адсорбционный слой, полностью удаляя высокотемпературную

зону, сохранившуюся в адсорбционном слое. Во время этого процесса оставшаяся влага полностью десорбируется, и регенерацию и охлаждение адсорбционного слоя заканчивают. Охлаждающий газ выходит при сравнительно высокой температуре и содержит очень небольшое количество влаги. Этот газ охлаждают в холодильнике 18 после прохождения через трубу 10, с помощью воздуходувки 19 через трубу 21 подают в осушитель 20, а затем через трубу 9 - на охлаждение. Вследствне очень низкой относительной влажности этого охлаждающего газа, природный или синтетический цеолит пригоден в качестве осушителя.

Воздух, очищенный в адсорберах для поглощения влаги и двуокиси углерода, подают по трубе 7 в один из адсорберов 12 или 13 с неподвижным слоем, конструкция которых аналогична конструкции адсорберов для поглощения влаги и двуокиси углерода. Каждый адсорбер снабжен набивкой из нриродного или синтетического цеолита, который может адсорбировать большее количество азота, чем кислорода при температуре, близкой к нормальной. При прохождении очищенного воздуха через адсорбирующий слой азот из воздуха поглощается, а оставшийся воздух обогащается кислородом. Этот воздух выводят в виде продуктового кислорода через трубу 9 и

подают на регенерацию в адсорберы 1-4 для адсорбции влаги и двуокиси углерода, и иаконец выводят в виде продуктового кислорода через трубу 8. С другой стороны, азот адсорбированный в адсорбционном слое азотного

адсорбера, десорбируют адиабатически при пониженном давлении вакуум-насосом 22 и выбрасывают через трубу 23 на стадию нагрева в адсорберы для поглощения влаги и двуокиси углерода через трубу 24, нагреватель 17

и трубу 6, и наконец, выбрасывают, как ненужный азот, через трубу 11 в атмосферу. Кроме того, если требуется получение кислорода низкой чистоты без влаги и двуокиси углерода, то часть его можно отбирать из трубы 25. Таким образом, предлагаемый способ получения кислорода низкой чистоты обеспечивает .следуюпдие преимущества: Во-первых, в качестве аппаратов для поглощения влаги и двуокиси азота и аппарата для поглощения азота применяют обычпые адсорберы с неподвижным слоем. Вследствие особенностей адсорбции и регенерации в аппарате для поглощения влаги и двуокиси углерода, цикл адсорбции, нагревания, регенерации и охлаждения может быть значительно сокращен; при этом количество адсорбента и размер аппаратов уменьшаются до менее Vio от обычных и, кроме того, процесс может быть осуществлен непрерывно. Во-вторых, благодаря применению адсорбционных аппаратов непрерывного действия с неподвижным слоем Схема потоков ресьма проста; работа и ремонт нри этом облегчены. В-третьих, носкольку выделяющаяся теплота адсорбции при поглощении влаги эффективно утилизируется для десорбции, для нагревания и регенерации требуется .подводить извне только небольплое количество тепла. В-четвертых, носкольку продуктовый кислород л десорбированный азот не содержат влаги и двуокисн углерода и применяются в качестве регенерационного газа для адсорбента влаги и двуокиси углерода, стоимость расходуемой энергии значительно сокращается. И, наконец, ,в-цятых, поскольку высокотемнературная зона, образующаяся десорбируемым азотом, нагреваемым в процессе нагревания аппарата адсорбции влаги и двуокиси углерода, перемещается по адсорбирующему слою во время регенерации и охлаждения, влага и двуокись углерода могут быть полностью адсорбированы. Предмет изобретения Способ разделения воздуха, включающий удаление из воздуха влаги и двуокиси углерода, путем адсорбции на неподвижном адсорбенте для влаги и двуокисн углерода, где чередуются стадии адсорбции, нагревания, регенерации и охлаждения и последующее удаление из очищенного воздуха азота путем адсорбции на неподвижном адсорбенте для азота с -получением кислорода низкой чистоты, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени осуществления нол.ного цикла разделения и снижения количества используемого адсорбента, часть кислорода низ-кой чистоты подают в неподвижный слой адсорбента для поглощения влаги и двуокиси углерода, находящийся в цикле регенерации, и затем выделяют в качестве продуктового кислорода низкой чистоты, остаток кислорода низкой чистоты подают в неподвижный слой адсорбента для поглощения влаги п двуокиси углерода, находящийся в цикле охлаждения, после чего его присоединяют к кислороду низкой чистоты, выходящему из слоя адсорбента для адсорбции азота, а азот, десорбируемый из неподвижного слоя адсорбента для поглощения азота, находящегося в цикле регенерации, после нагревання подают в неподвижный слой адсорбента для поглощения влаги и двуокиси углерода, находящийся в цикле нагревания, и затем выбрасывают в атмосферу.