Способ разделения атмосферного воздуха Советский патент 1981 года по МПК B01D53/47 

(54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА . - - .1 Изобретение относится к разделению атмосферного вoздyka методом адсорб ции на две фракции, азотообогащенную и кислородообогащенную, и может быть применено в процессах и производствах которые используют или азотообогащенную фракцию или, что предпочтительнее, обе фракции в качестве источника газовых сред при изготовлении полупро водниковых приборов, литье деталей из ьюталлов и пластмасс, созданкш взрыво пожаробезопасных защитных атмосфер эксппуатацйи авиационных и морских устройств. Известен способ получения кондаошонной азотообогащенной фракции в основу которого положен адиабатический процесс переменного давления. Адсорбция азота происходит при возрастаиии давления, десорбция - при поиижеиии давления в процессе. С целью повышекй частоты азотообогащеиной фракции предусмотреИа стадия продувки адсорбейта газом tn Наиболее близким к изобретению является способ, согласно которому разделение воздуха проводят в двух параллельных ветвях адсорберов, работающих в попеременных циклах адсорбции-десорбции. На стадии адсорбции, осуяцествляемой при околоатмосферном давлении в адсорбер, заполиенный цеолитом, подают воздух, предварительно осушенЧ ный и очищенный от двуокиси углерода в независимой установке. В результате преимущественной сорбции азота газовая фаза обогащается кислородом. Ее выводят из адсорбера, усредняют по концентрации в газгольдере и используют в качестве продуктовой кисло одробогащеиной 4Факции. На стадии десорб ции, осуществляемой при вакуумировании, из адсорбера выводят ранее адсорбированный азот, усредняют в газгольдере по концентрации и и.спользуют в качестве продуктовой азотообогащенной 4факции. С целью повышения чистоты продуктовых фракций перед стадией адсорбции в адсорбере поднимают давление пугем заполиения его частью газа продуктовой кислородообогаценной фракции, а перед стадией десрр бции адсорбер продувают частью газа продухтовой аэотообогацеиной фракции. Со- гласио данному способу в качестве продуктов получают 97,7% азот и обогащенный по кислороду воздух 2. Недостаток известного способа заключается в том, что он может быть осуществлен только при работе установки адсорбционного разделения на сухом воздухе, так как использование ,влажного воздуха понижает емкость ед.сорбента по разделяемом компонентам, далее в том, что в связи с постепенным приближением системы к стационарному состоянию из-за ввода части продуктовых фракций для продувки и запол нения адсорбера,данный метод является высокоинерционным. Цель изобретения - использование в качестве разделяемой смеси неосушенного и неочищенного воздуха и повышение интенсивности процесса. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу разделения атмэсферного воздуха на азотобогаценную и кислородобогащенную фракцииадсорбцией в адсорберах с неподвижньм слоем адсорбента при постоянной температуре включающий заполнение адсорбентов газом j продувку газом адсорбента с последующей десорбцией азотобогащенной фракции при понижении давления, в качестве газа для заполнения адсорберов и продувки адсорбента используют газ переменного состава с постоянно возра тающей концентрацией азота, предварительно полученный в независимой группе адсорберов при понижении в ней дав ления. Техническим средством воплощения обнаруженного эффекта, который заключается в возможности получений кондиционной азотообогащенной фракции; при продувке адсорбера газом переменного состава с постепенно увеличиванщимся содержанием азота, является система, состоящая, по меньшей мере, из двух групп адсорберов с соответствукя(им ти пом адсорбента, из которых одна проду цирует азото- и кислородообогащеиную фракции (далее названа продуцирующей группой), а другая предназначена.для получения продувочного газа переменной концентрации (далее названа проду вочной группой) . Продувочный газ переменного состава полученный при постепенном понижении давлеиия в продувочной группе, вводят в продуцирующую группу с последу щим выводом из нее кислородообогащенной фракции, часть которой нспользуют в качестве кислородного продуктового газа и некондиционной азотообогащенной фракции. После завершения продувки в продуцирующей группе понижают давление и выводят кондиционную азотообогащенную фракцию, используеную в качестве продуктового газа. На чертеже приведена схема установки разделения воздуха периодического дейстцня. Установка содержит трубопровод I подачи воздуха к компрессору, компрессор 2-исходной газовой смеси, трубопровод 3 подачи воздуха к адсорберу электро (пневмо/- магнитные клапаны 4, 10, 13, 14, 18, 21, 23 и 24, коллектор 5 продувочного адсорбера, продувочный адсорбер 6, продуцирующий адсорбер 7, вакуум-насос 8 азотообогаВ(енной фракции, ннжний коллектор 9 продуцирующего адсорбера, трубопровод II вывода азотообогащенной фракции, трубопровод 12 подачи азотообогаще иной акций на потребление, трубопровод 15 вывода продувочного газа из адсорбера, регулятор 16 расхода, трубопровод 17 подачи продувочного газа, верхний коллектор 19 продуцирующего адсорбера, трубопровод 20 подачи кислородообогащенной фракции на потребление | трубопровод 22 вывода продувочного га за, вакуум-насос 25 продувочного газа, трубопровод 26 подачи продувочного газа к вакуум-насосу 25, трубопровод 27 подачи продувочного газа в ресивер, ресивер 28 переменного объема, компрессор 29 продувочного газа, трубопровод 30 подачи продувочного газа к компрессору, трубопровод 31 подачи продувочного газа от компрессора. . Рассмотрение работы схемы начинается с момента времени, соответствующего иачалу стадии продуцирования кондиционной азотообогащенной фракцйн в адсорбере 7 (предполагая, что азотообогащен«ая фракцня накоплена в нём ранее) и заполнения воздухом в адсорбере 6. Указанный момент времени соответствует открытию клапанов 4 и 10 при всех остальных закрытых Kifianaaav.. Подлежащий разделению воздух по трубопроводу 1 подают на сжатие в компрессор 2, Сжатую смесь по трубопроводу 3, через клапан 4, коллектор 5 направляют в-адсорбер 6 заполненный соответствукщим адсорбента. Ввод воздуха в адсорбер 6 сопровождается поглощением азота, накоплением его на адсорбенте при одновременном обогащенин газовой фазы кислородом. Давление в адсорбере 6 постепенно повышают одновременно со стадией заполнения воздухом в адсорбере 6,а в адсорбере 7 осуществляют продуцирование кондиционной азотообогащенной фракции. Для этого азотообогащенную фракцию вакуум-насосом 8 через коллектор 9, клапан 10 и трубопровод II выводят из ад сорбера 7 и по трубопроводу I2 направ ляют на потребление. В ходе отбора продуктового газа давление в адсорбере 7 уменьшается. При достижении определенного минимального давления в адсо рбере 7 и максимального в адсорбере 6 клапаны А и 10 закрывают и осуществляют стадии продуцирования пр дувочного газа и заполнения продувочным газом. Для этого открывают клапаны 13 и 14. Начальные порции продувочного газа, обогащенные кислородом, при посте пенном понижении давления в адсорбере 6, по трубопроводу 15, через клапан 13, регулятор 16, трубопровод 17, клапан 14 и коллектор 9 поступает в адсорбер 7. Для нормального протекани процесса максимальное давление в адсорбере 6 должно быть выше максимального давления в адсорбере 7. Ввод про дувочного газа в адсорбер 7 сопровбждается поглощением азота соответствую щим тином адсорбента и одновременным обогащением газовой фазы кислородом. При достижении определенного давления в адсорбере 7 открывают клапан , 18 и осуществляют стадию продуцирования кис лородообогащенной фракции, начальные порции которой значительно обогащены кислородом и используются в качестве кислородного продуктового газа..проду вочный газ, поступающий из адсорбера 6,.вытесняет из адсорбера 7 кислородообогащенную газовую фазу через коллектор 19, клапан 18 и трубопровод 20 на потребление. Спустя определённый промежуток времени, зависящий от величины средней концентрации кислородного продуктового газа, клапан 18 закрывают и открывают, клапан 21« Поступающий иэ адсорбера 6 продувочный газ перемеиного состава через коллектор 19, клапан 21, трубопровод 22 вытесняет из адсорбера 7 газовую фазу, ковцеитрация кислорода в которой постепенно уменьшается. При достижении определенной концентрации кислородообогащенная фракция сменяется некондиционной азотообогащениой фракцией, т.е. в адсорбере 7 осуцествляют стадию продуцирования некондиционной азотообогаценной фракции. При достижении в адсорбере 6 давления, равного давлению в адсорбере 7, которое постоянно, закрывают клапаны 13 и 14 и открывают клапаны 23 и 24. Продувочный газ, обогащенный азотом, вакуум-насосом 25 по коллектору 5, через клапан 23, трубопровод 26, трубопровод 27 подают в ресивер 28. Из ресивера 28 продувочный газ компрессором 29 сжимают до определенного давления и по трубопроводу 30, трубопроводу 31 , через клапан 24 и коллектор 9 нагнетают в адсорбер 7. Из адсорбера 7 через коллектор 19, клапан 21, трубопровод 22 выводят некондиционную азотообогащенную фракцию, коицемтрация азота в которой постепенио увеличивается. При достижении минимального давления в адсорбере 6 все ранее открцтые клапаны закрывают и открывают клапаны 4 и 10. Цикл повторяют, чередуя стадии процесса. Характер изменения концентрации азота в продувочном газе переменного состава зависит от давления адсорб- ции и десорбции, типа, завлажненности и степени продувки адсорбента в адсорберах независимой группы. Сведения о его составе для цеолита 11аХ при различиых сочетаниях указанных факторов приведены в таблице.

Продолжение таблицы

Для других типов цеолитов цифровые значения при подобиых сочетаниях факторов иные, одаако характер концентрационной эавнсююсти сохраняется. П р и м е р Проверку способа осуществили в устшювке, показанной на чертеже. Продувожый и продуцирующий адсорберы HHeior внутренний диаметр 70 мм. Высота насыпного слоя составляет 1 000 мм. Прбдувочньй адсорбер зап6ш1яют цеолитом NaX (фракция 2-3 мм) продуцирующий адсорбер - цеолитом СаА (аналогичная фракция). Влажность подаваемого на разделение воздуха соГответствует условиям насыщения при давлении процесса и комна тной температуре. В зтих условиях завлажиенность ад сорбента соответствует примерно 10 вес.%. Адсорберы работают в опиcawiOM режиме. Продолжительность стадий следующая: заполнение воздухом 3 мин, продуцирование продувочного га за 7 мин, заполнение продувочньм газом. О, 5 tmtt, продуцирование кислородо Обогащенной фракции 1 мин, продуцнрование неконднцирнной азотообогащенной фракции 5,5 мин, продуцированнё кондиционной азотообогащенной фракции 3 мин. В продувочный адсорбер вводят.воздух при давлении 9 ат, что соответствует максимальному давлению на стадни заполнения воздухом..МакСимальиое дав ление в продуцирующем адсорбере около атмосферный. Минимальное давление в обоих адсорберах соответствует 50 мм рт.ст. Количество воздуха, введенного на стадии заполнения в про Дуврчный адсорбер, составляет 84 нл. Из продуцирующего адсорбера с помощью вакуум-насоса отбирают 16 нл газа, сод жащего 97% N2 осуществляя в нем .стадию продуцирования кондиционной азотообогащенной фракции. После этого в продувочном адсорбере проводят стадию продуцирования продувочного газа, получая 8 нл продувочного газа. Концентрация азота в продувочном газе изменяется от 57% до 96,5%. Одновременно в продуцирующем адсорбере осуществляют стадии заполнения продувочным газом, продуцирования кислородообогащенной и некондиционной азотообогащенной фракций, получив 8 нл газа, содержащего 45% 0. После чего цикл повторяют. Для сравнения на этой же установке осуществлен технологический процесс по схеме известного способа. В результате четьфех циклов работы параллельшлс адсорберов (отбор фракций на потребление не производится) помеле вакуумирования одного из адсорберов в азотном газголвдере накоплено J2,8 нл 97% азотообогащенной фракции. При продувке этим газом параллельного адсорбера после его вакуумирования получено также 12,8 нл 97% азотообогащенной фракцни. Таким образом, всю получаемую азотообогащенную фракцию следует использовать.для продувки параллельно работающего адсорбера, и производительность установки при данной завлажненности сорбента равна нулю. Предлагаемый способ, ввиду отсутствия необходимости использования части продуктового газа для продувки параллельно работающего адсорбера, оказывается работоспособным в условиях повышенной завлажненности сорбента, когда производительность известной-установки равна иулю. Кроме того, предлагаемая система практически безинерциоииа и может продуцировать кондиционные продуктовые газы, начиная со второго цикла работы. Формула изобретения Способ разделения атмосферного воздуха на азотообогащенную и кислородо