Установка для очистки и разделения газов

1! !1 504545

7 . !

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сок!э Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05,06.74 (21) 2030696/23-26 с присоединением заявки № (51) М. Кл.э В OID 53/00

Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий (53) УДК 66.071.7 (088.8) Опубликовано 28.02.76. Бюллетень № 8

Дата опубликования описания 28.04.76 (72) Авторы изобретения

Г. И, Воронин, А. М. Архаров, М. M. Дубинин, В. В. Серпинский, В. С. Никифоров, И. А. Калинникова, Н. А. Федосеева и

Ю. В. Никифор ов (71) Заявитель (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ

1осударственный комитет

Приоритет

Изобретение относится к низкотемпературной технике, касается установок разделения и очистки, газов и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, пищевой промышленности, а также в медицине, авиации и металлургии.

Известны установки для очистки и разделения газов с,применением,низкотемпературной адсорбции, содержащие параллельно расположенные и циклично переключаемые регенераторы, адсорберы, холодильники, расположенные последовательно по ходу газового потока.

Установка предполагает наличие холодильной машины и вакуумного насоса для откачки десорбата и позволяет получать, например, воздух, обогащенный кислородом от 28 до

90%, производить очистку водорода от этилена при температурах 200 †1 К.

Недостатком установок для очистки и разделения газов с применением низкотемпературной адсорбции является наличие внешних источников холода. Установка должна включать фреоновую двуступенчатую холодильную машину или систему охлаждения жидким азотом, Для осуществления процесса адсорбции при более, низких температурах (80 К и ниже) необходимы газовые (гелиевые) холодильные машины.

Применение внешнего источника холода всегда менее экономично, чем совмещение процессов, связанных с разделением и с холодильным циклом, что исключает потери энергии, которые дополнительно имелись бы в отдельном холодильном цикле, а также значительно упрощает весь технический комплекс установок для очистки и разделения газов.

Целью изобретения является дальнейшее снижение энергетических затрат, необходимых для проведения очистки и разделения

10 газов с использованием низкотемпературной сорбции.

Это достигается тем, что между адсорберами и регенераторами установлены параллельно размещенные фильтры и детандер, вход

15 которого подключен к выходным м агистр алям адсорберов, а выход соединен через соответствующие фильтры с регенераторами.

На фиг. 1 представлена схема установки

20 для очистки и разделения газов с применением регснеративных адсорберов для случая, когда десорбат должен быть чистым продуктом разделения, вариант А; на фиг. 2= то же, установки с применением рекуперативных адсор25 беров, вариант Б; на фиг. 3 — схема сорбционной установки для очистки и разделения газов с применением регенеративных адсорбентов для случая, когда неадсорбировавшийся,газ должен быть чистым продуктом разде30 ления, вариант В.

504545

55 бО

3

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 в 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 по давлению и по 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 средои. Благодаря этому происходит интенсивный теплообмен при одновременном протекании процесса адсорбции в одном адсорбере и процесса десорбции в другом адсорбере.

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

Пр им ер 1. Разделение воздуха на кислород и азот с получением технического кислорода (степень чистоты 99,2 /о) 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 ретенератор 4. В регенераторе

4, насадка которого предварительно в десорбционном режиме была охлаждена до 86 К, происходит одновременно охлаждение и осушка поступающего потока воздуха. Влагосодержание воздуха на выходе из регенератора за

4 счет вымораживания влаги не превышает

0,005 г/м . Далее охлажденный до 90 К поток воздуха проходит через фильтр 7, например, адсорбционный, который содержит силикагель, охлажденный в десорбционном режиме до -86 К, для по глощения углекислоты из воздуха. Затем, минуя клапаны 18 и 22, воздух подают в адсорбер 10, заполненный синтетическим цеолитом NaA, который в на. чале 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 внешней поверхности гранул и кристаллов цеолита. Из адсорбера выводят поток неадсорбировавшегося азота при 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 91 К, если его тем,пература на входе в детандер составляла - 102 К. Одновременно в адсорбере

11 производят десорбцию кислорода. Наличие развитой (800 †12 м /м ) теплопередающей поверхности между адсор берами 10 и 11 обеспечивает обмен между теплотами адсорбции и десорбции.

Из детандера охлажденный поток азота B начале режима .направляют через клапан 25 в регенератор 5, в котором охлаждают и осушают теплоемкую насадку, на поверхности которой влага 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;

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

Десорбционный режим

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 открывают, и вакуумный насос 3 начинает откачивать десорбирующий с цеолита таз и нагнетать его через газоанализатор 6 в емкость

9. В первую очередь десорбируют азот с внешней 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 концентрации О>, 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 11, направляют сначала через зме504545

15

20 евик 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 уста павки по варианту А аналогична описанному за исключением одного момента. В адсорбционном режиме поток азота после детандера направляют сначала в змеевик адсарбера 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 теплоты, 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 (8 — 10 К) на температурном уровне 90 К, необходимо использовать следующее условие засыпки 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 неона-гелиевого концентрата от азота и водорода.

Неона-гелиевый концентрат, получаемый в промышленных воздухоразделительных установках, содержит 50 — 60 /, неона и гелия, до

2О/о 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 происходит адсорбционное разделение газовой смеси, а другая ветвь в это время захолаживается потоком неадсорбировавшихся газов, поступающим из детандера.

Адсорбционный режим

Газовую смесь сжимают в компрессоре 1 до давления 5 — 6 атм, направляют в холодиль25

6 ник 2, где охлаждают до 270 К и подают в регенератар 4. Поток газов, охлажденных в регенераторе до -90 К, очищают в фильтре

7, где поглощают высококппящие компоненты газовой смеси, и через клапан 23 направляют в адсорбер-регенератор 10, заполненный послойно теплоемкой насадкой и актпвированным углем. В адсорбере 10 азот п водород адсорбируют, а неон и гелий, адсорбируемость 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 1,4 атм, понижая при этом температуру на 25 К. После детандера неона-гелиевый концентрат, минуя клапан 37, пропускают через змеевик в aдсорбере 41, охлаждая при этом теплсемкую насадку, и через клапаны 31 и 34 направляют в фильтр 42. Проходя через фильтр 42 и регенератор 43, неона-телиевый концентрат охлаждают и через клапан 20 подают на хранение.

Десорбционный режим

Режим начинают со сброса давления чо 1 атм в линии адсорбер 11 — фильтр 8 — регенератор 5 путем подсоединения этой личин к балластной емкости 44 через клапан 39. После сброса давления открывают клапан 38 и вакуумным насосом 3 начинают откачивать десорбирующие с сорбента азат 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 1.

Де сорбцию азота и водорода сопровождают поглощением тепла, которое отводят от теплоемкой насадки, в результате чего к концу десорбционного режима температуру насадки понижают на 8 — 10 К.

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

Формула изобретения

Установка для очистки и разделения газов, содержащая последовательно установленные по ходу газового потока комппессор, параллельно расположенные и циклично переключаемые регенераторы и адсорберы. агрегат для охлаждения газа и блок вакуумной 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 регенератарами, 504545

Составитель В. Ивочкин

Редактор T. Пилипенко Техред М. Семенов Корректор А. Степанова

Заказ 762/9 Изд. № 1141 Тираж 864 Подписное

UHHHIIH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2