Установка для очистки и разделения газов Советский патент 1976 года по МПК B01D53/00 

Сорбционная установка включает компрессор 1 для сжатия поступающей на разделение или очистку газовой смеси, холодильник 2, вакуумный насос 3 для откачки десорбента, регенераторы 4, 5, газоанализатор 6, фильтры 7, 8, балластную емкость 9, адсорберы 10, 11, вакуумный насос 12, детандер 13 и автоматически переключающиеся клапаны 14-39 для вариантов А и Б и 14-37 для варианта В.

В случае, когда сорбционные разделения или очистка являются промежуточной ступенью в многоступенчатом цикле разделения многокомпонентной газовой смеси и поступающий в сорбционную установку газовый поток находится под давлением, компрессор 1 Б сорбционной установке отсутствует.

Регенераторы 4 и 5 предназначены для охлаждения поступающих газов и представляют собой регенеративные теплообменники, которые заполнены теплоемкой массой, например каменной насадкой, и для вариантов А и Б установки имеют встроенные змеевики.

Детандером может быть любой промышленный поршневой или турбинный детандер, подходящий но давлению и но расходу газа, поступающего на расширение.

Адсорбер-регенератор в вариантах А и Б представляет -собой теплообменный аппарат со встроенным змеевиком, заполненный послойно сорбентом и теплоемкой массой, например каменной насадкой.

Адсорберы-рекуператоры в варианте Б установки представляют собой рекуперативный теплообменник, внутреннее пространство которого разделено оребренными стенками на каналы и заполнено сорбентом. Причем каналы, заполненные сорбентом и относящиеся к адсорберу 10, попеременно чередуются с каналами, относящимися к адсорберу 11. Оребрение стенок создает большую развитую поверхность раздела между греющей и нагреваемой средой. Благодаря этому происходит интенсивный теплообмен при одновременном протекании процесса адсорбции в одном адсорбере и процесса десорбции в другом адсорбере.

Работа установки щиклична. Цикл состоит из двух режимов: адсорбционного и десорбционного. Ниже приводится описание работы сорбционной установки для двух конкретных примеров разделения и очистки газов.

Пример 1. Разделение воздуха на кислород и азот с получением технического кислорода (степень чистоты 99,2%) на сорбционной установке варианта А или Б (фиг. 1 и 2). Описание работы установки по варианту Б.

Адсорбционный режим

Воздух, сжатый в компрессоре 1 до давления 2,8-3,0 атм, подают в холодильник 2, где его охлаждают до температуры 280°К и направляют в регенератор 4. В регенераторе 4, насадка которого предварнтельно -в десорбционном режиме была охлаждена до 86°К, происходит одновременно охлаждение и осушка поступающего потока воздуха. Влагосодержание воздуха на выходе из регенератора за

счет вымораживания влаги не превышает 0,005 г/м. Далее охлажденный до 90°К поток воздуха проходит через фильтр 7, например, адсорбционный, который содержит сили5 кагель, охлажденный в десорбционном режиме до , для поглощения углекислоты из воздуха. Затем, минуя клапаны 18 и 22, воздух подают в адсорбер 10, заполненный синтетическим цеолитом NaA, который в начале адсорбционного режима имеет температуру 90°К. При .прохождении слоя цеолита NaA кислород из потока воздуха полностью адсорбируют в микропорах цеолита, а азот адсорбируют только на внещней поверхности

15 гранул и кристаллов цеолита. Из адсорбера выводят поток неадсорбировавшегося азота нри температуре 92-102°К и давлении 2- 2,2 атм и направляют через клапан 28 в детандер 13, в котором его расширяют до давления 1,2 атм, при этом температура азота понижается до --81°К, если его температура на входе в детандер была 92°К, и до , если его температура на входе в детандер составляла 102°К. Одновременно в адсорбере

25 11 производят десорбцию кислорода. Наличие развитой (800-1200 ) теплопередающей поверхности между адсорберами 10 и 11 обеспечивает обмен между тенлотами адсорбции и десорбции.

0 Из детандера охлажденный поток азота в начале режима направляют через клапан 25 в регенератор 5, в котором охлаждают и осушают теплоемкую насадку, на поверхности которой 1влага высадилась в виде льда во время предыдущего цикла. Азот увлажняют, нагревают до температуры 290°К и отводят из установки через клапан 37. В середине адсорбционного режима, после того, как фильтр 8 отрегенерирован, клапан 25 закрывают, а 21,

0 19 и 17 открывают и охлажденный поток азота после детандера направляют сначала в фильтр 8, а затем - в регенератор 5.

Десорбционный режим

5 Режим начинают со сброса давления в адсорбере 11, для чего открывают клапан 31 и смесь газов из адсорбера 11 подают в балластную емкость 9. После сброса давления клапан 31 закрывают, а клапаны 33, 39 и 35

0 открывают, « вакуумный насос 3 начинает откачивать десорбирующий с цеолита газ и нагнетать его через газоанализатор 6 в емкость 9. В первую очередь десорбируют азот с внещней поверхности кристаллов и гранул цеолита, а затем - кислород из микропор цеолита. Как только концентрация кислорода в потоке десорбированного газа достигнет заданной величины, кислородный газоанализатор, настроенный на заданную величину концентра0 ции Оз, закроет клапан 35 и откроет 34.

Кислород будет поступать в линию на хранение. Давление, до которого вакуумный насос должен откачать газ из адсорбера 11, не выше 0,2--1 торр. Поток кислорода, выходящий из

адсорбера И, направляют сначала через змеевик регенератора 5, охлаждают теплоемкую насадку и нагревают до 290-300°К, а затем подают в вакуумный насос 3.

В начале десорбционного режима клапан 27 открывают, сбрасывают давление в фильтре 8 до 1 атм за счет соединения объема фильтра с объемом змеевика холодильника 2, а затем открывают клапан 40 и вакуумный насос 12 и начинают откачивать воздух с парами углекислоты из фильтра 8. После того, как регенерация фильтра 8 закончена, клапаны 25, 27 и 40 закрывают, а 21, 19 и 17 открывают и поток азота после детандера направляют в фильтр для его захолаживания.

Работа установки по варианту А аналогична описанному за исключением одного момента. В адсорбционном режиме поток азота после детандера направляют сначала в змеевик адсорбера 10, где азот несколько нагревают за счет выделяющейся при адсорбции кислорода теплоты, затем поток азота направляют в змеевик адсорбера 11, где азот охлаждают за счет отвода от него тенлоты, поглощаемой при десорбции, а затем уже подают в регенератор 5. Тепловые расчеты для варианта А схемы установки показали, что для того, чтобы температура сорбента за время режима адсорбции (десорбции) изменялась не более, чем на 10°К (В-10°К) на температурном уровне , необходимо использовать следующее условие засынки адсорбера-регенератора: на 1 вес. Ч. цеолита NaA должно приходиться 3 вес. ч. каменной насадки, что в объемных единицах составляет - на одну объемную долю цеолита требуется 1,2 объемные доли насадки.

Пример 2. Очистка неоно-гелиевого концентрата от азота и водорода.

Неоно-гелиевый концентрат, получаемый в промышленных воздухоразделительных установках, содержит 50-60% неона и гелия, до 2% водорода и остальное азот.

Описание работы установки по варианту В (фиг. 3).

Этот вариант установки отличается от варианта А тем, что содержит не две, а три параллельно включенные, одинаковые ветви, состоящие из регенератора, фильтра и адсорбера-регенератора. В адсорбционном режиме участвуют две ветви, в одной из которых нроисходит адсорбционное разделение газовой смеси, а другая ветвь в это время захолаживается потоком неадсо-рбировавшихся газов, поступающим из детандера.

Адсорбционный режим

Газовую смесь сжимают в компрессоре 1 до давления 5-6 атм, направляют в холодильник 2, где охлаждают до 270°К и подают в регенератор 4. Поток газов, охлажденных в регенераторе до 90°К, очищают в фильтре 7, где поглощают высококинящие компоненты 5 газовой смеси, н через клапан 23 направляют в адсорбер-регенератор 10, заполненный послойно теплоемкой насадкой и активированным углем. В адсорбере 10 азот и водород адсорбируют, а неон и гелий, адсорбируемость

10 которых в 10 раз для неона и в 1000 раз для гелия меньше адсорбируемости азота и водорода на активированном угле, проходят в адсорбер 10 и поступают в детандер 13, где их расширяют до давления ,4 атм, понижая при этом температуру на 25°К. После детандера неоно-гелиевый концентрат, минуя клапан 37, пропускают через змеевик в адсорбере 41, охлаждая при этом теплоемкую насадку, и через клапаны 31 и 34 направляют в

0 фильтр 42. Проходя через фильтр 42 и регенератор 43, неоно-гелиевый концентрат охлаждают и через клапан 20 подают на хранение.

Десорбционный режим

5 Режим начинают со сброса давления до 1 атм в линии адсорбер II - фильтр 8 - регенератор 5 путем подсоединения этой линии к балластной емкости 44 через клапан 39. После сброса давления открывают кланан 38 и вакуумным насосом 3 начинают откачивать десорбирующие с сорбента азот и водород из адсорбера 11 и высококипящие компоненты из фильтра 8. При этом десорбирующие газы проходят через змеевик холодильника 2, охлаждая газовую смесь после компрессора I. Десорбцию азота и водорода сопровождают поглощением тепла, которое отводят от теплоемкой насадки, в результате чего к концу десорбционного режима температуру насадки

0 понижают на 8-10°К.

После десорбционного режима эта ветвь установки переключается на охлаждение в адсорбционном режиме.

дФормула изобретения

Установка для очистки и разделения газов, содержащая последовательно установленные по ходу газового потока компрессор, параллельно расположенные и циклично переключаемые регенераторы н адсорберы, агрегат для охлаждения газа и блок вакуулшой откачки, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, между адсорберами и регенераторами установлены параллельно размещенные фильтры и детандер, вход которого подключен к выходным магистралям адсорберов, а выход соединен через соответствующие фильтры с регенераторами.

-3R

15

Фиг.З