Генератор азота для создания инертной технологической газовой среды
Полезная модель относится к системам генерирования инертной газовой среды из азота для создания безопасных условий труда и обеспечения технологических процессов в любых отраслях промышленности, а также для защиты объектов различного назначения от загорания и для подавления очагов открытого огня. Генератор азота для создания инертной технологической газовой среды содержит подсоединенные к общему приводу входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, и установленное между ними устройство деоксигенизации воздуха с полупроницаемой мембраной. Генератор оснащен дополнительным нагнетательным блоком низкого давления, выход которого подключен к входу устройства деоксигенизации воздуха, компенсируя сброс обогащенного кислородом воздуха через полупроницаемую мембрану, что обеспечивает работу входного и выходного нагнетательных блоков с одинаковой производительностью. Полезная модель позволяет использовать в генераторах азота серийно выпускаемые многоступенчатые воздушные компрессоры.
Полезная модель относится к системам генерирования инертной газовой среды из азота для создания безопасных условий труда и обеспечения технологических процессов в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, лакокрасочной, фармацевтической и пищевой промышленности, а также к системам, используемым для защиты объектов различного назначения от загорания и для подавления очагов открытого огня.
Известен генератор азота для создания инертной технологической газовой среды, содержащий компрессорную станцию, включающую в себя входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, и установленное между указанными блоками устройство деоксигени-зации воздуха, включающее в себя группу адсорберов, заполненных поглотителем кислорода. Каждый из адсорберов поочередно подключается к входному нагнетательному блоку, заполняется воздухом низкого давления, выдерживается при заданном давлении в течение времени, необходимого для поглощения кислорода, а затем подключается к дожимному нагнетательному блоку. Производительность дожимного нагнетательного блока меньше производительности входного нагнетательного блока и равна расходу инертной газовой среды (см. описание патента Российской Федерации №2107807, Е 21 В 35/00, 27.03.1998). Для надежной работы генератора требуются адсорберы достаточно больших объемов, а необходимость выдержки атмосферного воздуха в адсорбере для завершения поглощения кислорода существенно увеличивает количество адсорберов и массу установки. Кроме того, поглотитель в адсорбере очень чувствителен к вибрации.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является генератор азота для создания инертной технологической газовой среды, содержащий подсоединенные к общему приводу входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, присоединенную к выходу нагнетательного блока
низкого давления систему очистки воздуха с охлаждающим теплообменником и блоком фильтрации, устройство деоксигенизации воздуха, включающее в себя газоразделительный блок, оснащенный полупроницаемой мембраной с дренируемой в атмосферу подмембранной полостью, и систему контроля загрязнения кислородом очищенного азота (см. патент Российской Федерации №2223138, B 01 D 53/22, B 01 J 7/00, 10.02.2004). В данном генераторе азота устройство деоксигенизации воздуха работает в непрерывном режиме, что дает возможность уменьшить его габариты и массу. Газоразделительный блок с полупроницаемой мембраной менее чувствителен к вибрациям и изменениям температуры, чем поглотитель адсорбера, что упрощает требования к его эксплуатации. Кроме того, используя разделительный блок с полупроницаемой мембраной, можно легко регулировать степень деоксигенизации азота в соответствии с требованиями конкретного потребителя, что дает возможность использовать данную схему генерирования инертной среды из воздуха широкому кругу потребителей. Наличие большой потребности в генераторах инертной среды приводит к необходимости быстрого увеличения производства генераторов с максимальным использованием существующих технологических мощностей по производству многоступенчатых компрессоров. В известных многоступенчатых компрессорах производительность блока низкого давления равна производительности дожимного блока высокого давления и прямое использование серийно выпускаемых многоступенчатых компрессоров в генераторе азота, использующих полупроницаемые мембраны, приводит к рассогласованию характеристик блока высокого давления относительно блока низкого давления, так как часть воздуха, обогащенная кислородом, сбрасывается обратно в атмосферу, что снижает эффективность генератора азота.
Задачей настоящей полезной модели является разработка экономически эффективного генератора азота для создания инертной технологической газовой среды с использованием полупроницаемой мембраны, обеспечивающего эффективную его работу при выработке инертной среды, в составе которого можно использовать серийно выпускаемые многоступенчатые
компрессоры с поддержанием равенства производительности блока низкого давления и дожимного нагнетательного блока. Другой задачей изобретения является сокращение сроков разработки и освоения генераторов азота с широким диапазоном по производительности.
Поставленные технические задачи достигаются тем, что в генераторе азота для создания инертной технологической газовой среды, содержащем подсоединенные к общему приводу входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, присоединенную к выходу нагнетательного блока низкого давления систему очистки воздуха с охлаждающим теплообменником и блоком фильтрации, устройство деоксигенизации воздуха, включающее в себя газоразделительный блок, оснащенный полупроницаемой мембраной с дренируемой в атмосферу подмембранной полостью, и систему контроля загрязнения кислородом очищенного азота, согласно полезной модели, входной и выходной нагнетательные блоки выполнены с одинаковой производительностью, а генератор оснащен дополнительным нагнетательным блоком низкого давления с собственной системой очистки воздуха на выходе, ресивером и нагревателем очищенного воздуха, управляемым от системы контроля загрязнения кислородом очищенного азота, при этом выходы систем очистки воздуха обоих нагнетательных блоков низкого давления подключены к ресиверу, а ресивер подключен к устройству деоксигенизации воздуха через нагреватель очищенного воздуха.
При этом дополнительный нагнетательный блок низкого давления оснащен собственным приводом.
Сущность полезной модели заключается в компенсации расхода воздуха, сбрасываемого обратно в атмосферу из подмембранной полости газоразделительного блока, подключением к входу устройства деоксигенизации воздуха дополнительного нагнетательного блока низкого давления, что позволяет в генераторе азота выровнять производительности подсоединенных к общему приводу дожимного нагнетательного блока и входного нагнетательного блока низкого давления и появляется возможность использовать в
генераторе азота серийно выпускаемые многоступенчатые компрессоры высокого давления с работой всех ступеней компрессора в номинальном режиме, что расширяет технологическую базу изготовления генераторов азота и дает возможность наладить производство генераторов азота любой производительности и выходного давления на базе широко освоенных промышленностью многоступенчатых компрессоров. Оснащение дополнительного нагнетательного блока собственной системой очистки воздуха позволяет подобрать оптимальную систему очистки для дополнительного нагнетательного блока. Подключение выходов систем очистки воздуха обоих нагнетательных блоков низкого давления к ресиверу устраняет пульсации давления на входе в устройство деоксигенизации, особенно при использовании поршневых компрессоров, что способствует увеличению ресурса полупроницаемых мембран. Подключение ресивера к устройству деоксигенизации воздуха через нагреватель очищенного воздуха, управляемый от системы контроля загрязнения кислородом очищенного азота, дает возможность оптимизировать работу газоразделительного блока за счет регулирования температуры всего потока воздуха.
Оснащение дополнительного нагнетательного блока низкого давления собственным приводом повышает эффективность генератора азота, так как дает возможность регулировать подпитку воздуха на вход устройства деоксигенизации, поддерживая равенство производительности входного нагнетательного блока низкого давления и дожимного нагнетательного блока.
На рисунке изображена блок-схема генератора азота в соответствии с предложенной полезной моделью.
Генератор азота содержит устройство деоксигенизации воздуха с газоразделительным блоком 1. Генератор имеет входной нагнетательный блок 2 низкого давления, к выходу которого подключена система очистки воздуха, включающая в себя охлаждающий теплообменник 3 и блок 4 фильтрации. Линия 5 очищенного азота соединяет выход газоразделительного блока 1 с выходным дожимным нагнетательным блоком 6 повышения давления
очищенного азота. Входной 2 и выходной 6 нагнетательные блоки выполнены одинаковой производительности и подсоединены к приводу 7.
Охлаждающий теплообменник 3 имеет контур 8 охлаждения. В линии 9 подвода охлаждающего агента установлен регулятор расхода 10. Блок 4 фильтрации включает последовательно установленные влаго-маслоотделитель 11, фильтр 12 тонкой очистки и адсорбционный поглотитель 13.
Газоразделительный блок 1 собран из параллельно установленных мембранных модулей, каждый из которых оснащен газоразделительной камерой 14 с размещенной в ней полупроницаемой мембраной 15, разделяющей камеру 14 на подмембранную 16 и надмембранную 17 полости. На входе в надмембранную полость 17 и на выходе из нее установлены запорные устройства 18. Полупроницаемые мембраны 15 могут быть изготовлены из половолоконных мембран, или из плоских полимерных мембран. Надмембранные полости 17 соединены через линию 5 очищенного азота с выходным дожимным нагнетательным блоком 6. Подмембранные полости 16 соединены с атмосферой для сброса газа, обогащенного кислородом.
К линии 5 очищенного азота подключен датчик 19 загрязнения очищенного азота кислородом системы управления и контроля, которая дополнительно оснащена задатчиком 20 уровня загрязнения очищенного азота кислородом и блоком 21 сравнения текущего уровня загрязнения очищенного азота с заданным (предельно допустимым) уровнем загрязнения. Сигналы с датчика 19 и задатчика 20 поступают на входы блока 21 сравнения.
Генератор азота оснащен дополнительным нагнетательным блоком 22 низкого давления с собственной системой очистки воздуха на выходе, включающей в себя охлаждающий теплообменник 23 и блок 24 фильтрации. Охлаждающий теплообменник 23 имеет контур 25 охлаждения, в линии 26 подвода охлаждающего агента установлен регулятор расхода 27. Блок 24 фильтрации может быть выполнен аналогично блоку 4 системы очистки воздуха на выходе из основного нагнетательного блока 2 низкого давления. При использовании в качестве дополнительного нагнетательного блока 22 низкого давления винтовых компрессоров в блоке 24 можно исключить
влагоотделитель, оставив только фильтры. Дополнительный нагнетательный блок 22 имеет собственный привод 28. Генератор азота оснащен ресивером 29. Выходы систем очистки воздуха обоих нагнетательных блоков низкого давления подключены к ресиверу 29. Ресивер 29 подключен к газоразделительному блоку 1 устройства деоксигенизации воздуха через нагреватель 30 очищенного воздуха с электронагревающими элементами 31 с регулятором мощности 32, подключенным к выходу блока 21 сравнения. За выходным нагнетательным блоком б установлен щит 33 раздачи очищенного азота потребителю. Все агрегаты генератора азота смонтированы на общем основании.
Атмосферный воздух поступает после предварительной фильтрации в компрессоры основного 2 и дополнительного 22 входных нагнетательных блоков низкого давления и сжимается в них до 0,2-6,0 МПа (2-60 атм). Сжатый воздух из основного входного нагнетательного блока 2 поступает в охлаждающий теплообменник 3 и охлаждается в нем до температуры 5-50°С. Охлажденный воздух проходит через блок 4 фильтрации. Чистый воздух поступает в ресивер 29. Сжатый воздух из дополнительного входного нагнетательного блока 22 проходит через охлаждающий теплообменник 23 и блок 24 фильтрации и также поступает в ресивер 29. Из ресивера 29 очищенный воздух через нагреватель 30 подается в надмембранные полости 17 газоразделительных камер 14 устройства деоксигенизации воздуха.
Парциальные давления кислорода, азота и углекислого газа в надмем-бранной полости 17 выше, чем в подмембранной полости 16. Кислород, водяные пары углекислый газ и часть азота через полупроницаемую мембрану 15 диффундируют в подмембранную полость 16 и сбрасываются в атмосферу. Очищенный азот из надмембранной полости 17 по линии 5 подается в компрессор выходного нагнетательного блока 6 и сжимается в нем до рабочего давления 15-40 МПа (150-400 атм). Вследствие дополнительной подачи воздуха в ресивер 29 расход очищенного азота через дожимной нагнетательный блок 6 равен расчетной производительности блока, что повышает эффективность его работы. Очищенный азот подается потребителю
через щит 33 раздачи непосредственно после выхода из дожимного нагнетательного блока 6, либо после охлаждения его до соответствующей температуры.
Чистота азота на выходе из газоразделительного блока 1 контролируется датчиком 19 загрязнения очищенного азота кислородом. Показания датчика 19 сравниваются с допустимыми значениями загрязнения чистого азота кислородом. При превышении заданного уровня загрязнения подается сигнал на регулятор 32 мощности и увеличивается подвод электрической мощности на электронагревающие элементы 31, что приводит к повышению температуры поступающего в газоразделительный блок 1 воздуха. В потоке воздуха, диффундирующем через полупроницаемую мембрану в подмембран-ную полость, возрастает относительная доля кислорода, что повышает чистоту азота на выходе из газоразделительного блока.
Для достижения высокой концентрации азота (до 99,9%) подключают две-три газоразделительные камеры 14 и работают при пониженной температуре воздуха на входе в газоразделительный блок 1. При низких концентрациях азота (80-90%) подключают одну газоразделительную камеру 14 и работают при повышенной температуре воздуха на входе в газоразделительный блок, интенсифицируя процесс диффузии через полупроницаемую мембрану. Согласование работы нагнетательного блока 1 низкого давления, дожимного нагнетательного блока 6 и устройства деоксигенизации воздуха производится регулированием производительности дополнительного нагнетательного блока 22.
Оборудование генератора азота смонтировано на общем основании, что позволяет перемещать его к месту эксплуатации любым видом транспорта, в том числе с помощью авиации, например вертолетом, и приводить в действие с минимальными затратами времени на развертывание установки.
В предлагаемом генераторе азота используются узлы и агрегаты, освоенные отечественной и зарубежной промышленностью, в том числе серийно выпускаемые многоступенчатые воздушные компрессоры.
1. Генератор азота для создания инертной технологической газовой среды, содержащий подсоединенные к общему приводу входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, присоединенную к выходу нагнетательного блока низкого давления систему очистки воздуха с охлаждающим теплообменником и блоком фильтрации, устройство деоксигенизации воздуха, включающее в себя газоразделительный блок, оснащенный полупроницаемой мембраной с дренируемой в атмосферу подмембранной полостью, и систему контроля загрязнения кислородом очищенного азота, отличающийся тем, что входной и выходной нагнетательные блоки выполнены с одинаковой производительностью, а генератор оснащен дополнительным нагнетательным блоком низкого давления с собственной системой очистки воздуха на выходе, ресивером и нагревателем очищенного воздуха, управляемым от системы контроля загрязнения кислородом очищенного азота, при этом выходы систем очистки воздуха обоих нагнетательных блоков низкого давления подключены к ресиверу, а ресивер подключен к устройству деоксигенизации воздуха через нагреватель очищенного воздуха.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный нагнетательный блок низкого давления оснащен собственным приводом.
