ITFI970006A1 - PROCESS AND PLANT FOR THE PURIFICATION OF OXYGEN - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: ”PROCEDIMENTO E IMPIANTO PER LA PURIFICAZIONE DI OSSIGENO"; Description of the industrial invention entitled: "PROCEDURE AND PLANT FOR THE PURIFICATION OF OXYGEN";
L'invenzione riguarda il settore della produzione di ossigeno ad elevata purezza, oltre il 9.7%, del tipo impiegato per usi industriali (taglio e saldatura di precisione), oppure a fini medicali. In particolare l'invenzione è rivolta alla purificazione di gas ad elevato tasso di ossigeno, quale ad esempio l'ossigeno prodotto mediante i sistemi cosiddetti "on-site" PSA o a membrane. Il procedimento e l'impianto secondo l'invenzione sono specialmente rivolti all'applicazione come modulo supplementare di un qμalsiasi sistema di produzione di ossigeno, preferibilmente di quei sistemi che producono ossigeno al 90-96% di purezza. The invention relates to the sector of the production of high purity oxygen, over 9.7%, of the type used for industrial uses (precision cutting and welding), or for medical purposes. In particular, the invention is directed to the purification of gases with a high oxygen content, such as for example the oxygen produced by the so-called "on-site" PSA or membrane systems. The process and the plant according to the invention are especially aimed at the application as an additional module of any oxygen production system, preferably those systems which produce oxygen at 90-96% purity.
Allo stato attuale, per produrre ossigeno con la purezza necessaria in determinate applicazioni, come il taglio di precisione senza bave di metalli o alcune applicazioni ospedaliere (purezze imposte 99% e superiori e con tolleranze del 0.5%), sono noti alcuni metodi tra i quali il metodo delle torri di Linde per liquefazione dell'aria e altri sistemi di produzione ossigeno per elettrolisi, questi ultimi però utilizzati per piccole quantità e usi particolari. Inoltre, i costi di gestione di questi impianti sono alti sia dal punto di vista energetico che per gli elevati investimenti richiesti. At present, to produce oxygen with the purity necessary in certain applications, such as precision cutting without metal burrs or some hospital applications (imposed purities 99% and higher and with tolerances of 0.5%), some methods are known including the Linde tower method for air liquefaction and other oxygen production systems by electrolysis, the latter however used for small quantities and particular uses. Furthermore, the operating costs of these plants are high both from an energy point of view and for the high investments required.
Tali metodi presentano, pertanto, svariati inconvenienti in ordine alla purezza ottenibile, alla possibilità di controllare la stessa e all'efficienza complessiva del sistema di produzione. These methods therefore have various drawbacks as regards the purity obtainable, the possibility of controlling the same and the overall efficiency of the production system.
Un primo scopo della presente invenzione è quello di ovviare a tali inconvenienti, proponendo un procedimento ed un impianto per là purificazione dell’ossigeno controllabile in continuo, ad elevata efficienza, e relativamente economico nella realizzazione e nel funzionamento. A first object of the present invention is to obviate these drawbacks by proposing a process and a plant for the purification of oxygen that can be continuously controlled, with high efficiency, and relatively cheap in construction and operation.
Un secondo scopo è quello di proporre un procedimento ed un impianto adattò ad essere utilizzato come modulo, supplementare di purificazione in un qualsiasi impianto per la produzione di ossigeno, indipendentemente dalla tipologia del processo impiegato. A second object is to propose a process and a plant adapted to be used as an additional purification module in any plant for the production of oxygen, regardless of the type of process used.
A tali scopi si è pervenuti secondo l'invenzione mediante un procedimento di purificazione dell'ossigeno a partire da un gas di alimentazione ricco di ossigeno (preferibilmente gas con tenore di ossigeno del 90-96%) nel quale la separazione dellOssigeno purificato è ottenuta per mezzo di opportuni letti filtranti di materiale adsorbitore di ossigeno, preferibilmente setaccio molecolare a carbone attivato, capaci di adsorbire l'ossigeno contenuto nel gas in ingresso e rilasciarlo successivamente. According to the invention, this has been achieved by means of an oxygen purification process starting from an oxygen-rich feed gas (preferably gas with an oxygen content of 90-96%) in which the separation of the purified oxygen is obtained by by means of suitable filter beds of oxygen adsorbing material, preferably molecular sieve with activated carbon, capable of adsorbing the oxygen contained in the incoming gas and subsequently releasing it.
Secondo il procedimento, la pressione del gas di alimentazione in ingresso, la pressione di estrazione dell'ossigeno purificato ed i tempi di permanenza dello stesso nei letti filtranti sono controllati in continuo per garantire la qualità/quantità dell'ossigeno prodotto al variare di tali condizioni. According to the process, the pressure of the inlet gas supply, the extraction pressure of the purified oxygen and the residence times of the same in the filter beds are continuously controlled to guarantee the quality / quantity of the oxygen produced when these conditions vary. .
Un primo vantaggio consiste essenzialmente nella elevata purezza raggiunta, con costi di esercizio e di impianto molto inferiori rispetto ai procedimenti attualmente noti per applicazioni analoghe. A first advantage essentially consists in the high purity achieved, with much lower operating and installation costs compared to currently known processes for similar applications.
Un secondo vantaggio è dato dalle dimensioni dell'impianto che possono variare da dimensioni minime (anche trasportabili) a dimensioni più elevate a seconda del fabbisogno della particolare utenza. A second advantage is given by the dimensions of the system which can vary from minimal dimensions (even transportable) to larger dimensions depending on the needs of the particular user.
In generale si può dire che un impianto di purificazione ossigeno secondo l'invenzione ha dimensioni del 50% inferiori rispetto ad un impianto per l'alimentazione di gas ossigeno a purezza 95% e, in particolare modo, basti pensare che le torri utilizzate sono 1/8 delle torri utilizzate per la produzione di ossigeno al 95%. Un altro vantaggio è dato dalla possibilità di regolare e ottimizzare in modo agevole la purezza ottenibile o la quantità di ossigeno prodotta. In general, it can be said that an oxygen purification plant according to the invention has dimensions that are 50% smaller than a plant for the supply of 95% purity oxygen gas and, in particular, it is sufficient to think that the towers used are 1 / 8 of the towers used for the production of 95% oxygen. Another advantage is given by the possibility of easily adjusting and optimizing the purity obtainable or the quantity of oxygen produced.
Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, nei quali: These and further advantages will be better understood by every person skilled in the art from the following description and the attached drawings, in which:
- la fig.1 mostra in maniera schematica un impianto per l'attuazione del procedimento secondo l'invenzione. - Fig. 1 schematically shows a plant for carrying out the process according to the invention.
In una sua forma preferita di attuazione e con riferimento ai disegni il ciclo di un procedimento secondo, l'invenzione comprende le seguenti fasi: In a preferred embodiment thereof and with reference to the drawings, the cycle of a process according to the invention comprises the following steps:
A) immissione a pressione prossima a 3,5 bar (ma che può variare nell'intervallo 2-10 bar) di un gas con tenore di ossigeno nell'intervallo 90-96% da un serbatoio B0 in un recipiente B2 riempito con materiale filtrante, ad esempio carbone molecolare attivato (CMS). In questa fase un primo recipiente B1, in tutto,analogo a B2 e riempito con il gas di alimentazione in una fase precedente del ciclo, rilascia l'ossigeno purificato (98,5% circa di purezza) immettendolo a bassa pressione (0.1-0.8 bar) in un serbatoio B3 di raccolta. In questa fase si opera una selezione del gas, espellendo continuamente da B2 il gas filtrato e impoverito di ossigeno. L'espulsione in atmosfera avviene alla stessa pressione presente nel recipiente in ciclo di pressurizzazione, attraverso una valvola di non ritorno CV2 e un regolatore di flusso RI posti in uscita di B2; A) injection at pressure close to 3.5 bar (but which can vary in the 2-10 bar range) of a gas with oxygen content in the 90-96% range from a B0 tank into a B2 container filled with filter material , for example activated molecular carbon (CMS). In this phase, a first container B1, similar to B2 and filled with the supply gas in an earlier phase of the cycle, releases the purified oxygen (about 98.5% purity) by introducing it at low pressure (0.1-0.8 bar) in a collection tank B3. In this phase the gas is selected, continuously expelling the filtered and oxygen-depleted gas from B2. The expulsion into the atmosphere takes place at the same pressure present in the vessel in the pressurization cycle, through a non-return valve CV2 and a flow regulator RI placed at the outlet of B2;
B) Scarico mediante le valvole di non ritorno CV1 e regolatore R1 dei gas residui presenti in B1. Agendo sul regolatore R1, anche il recipiente B2 viene liberato da eventuali gas residui. B) Discharge of residual gases present in B1 by means of the non-return valves CV1 and regulator R1. By acting on regulator R1, container B2 is also freed from any residual gases.
C) In questa fase si effettua un travaso da B2 a B1 del gas entrato per ultimo in B2, recuperandone una parte ed evitando che nella successiva fase di estrazione da B2 sia immesso in B3 ossigeno non purificato, essendo i letti di B2 ormai saturi; C) In this phase, a transfer from B2 to B1 of the gas that entered B2 last is carried out, recovering a part of it and avoiding that in the subsequent extraction phase from B2 non-purified oxygen is introduced into B3, as the B2 beds are now saturated;
D) Fase di attesa, per controllare ed adattare i volumi di gas nelle tubazioni ai tempi di risposta delle valvole impiegate. D) Waiting phase, to check and adapt the volumes of gas in the pipes to the response times of the valves used.
Questa fase ha lo stesso scopo della fase B, ma con tempi di durata diversi. Infatti, vi è sempre un ritardo tra la chiusura o apertura di un contatto e l'altro e in più, essendo le singole valvole soggette ogni una a diversa pressione a valle e a monte, con tempi di ciclo veloci si ha uno scompenso tra le varie fasi. Tutto ciò viene compensato via software così che il sincronismo di apertura e chiusura sia il più preciso possibile, adattandosi ai vari tipi di valvola utilizzata e dando così modo di cominciare ogni nuova fase del ciclo con le tubazioni interessate già 'pulite'. In altre parole, se non si interponesse la fase B tra le fasi A e C, e poi la fase D, si rischierebbe di inquinare l'ultimo gas in recupero da B1 con il gas ancora in fase di filtrazione in B2 o viceversa. This phase has the same purpose as phase B, but with different duration times. In fact, there is always a delay between the closing or opening of one contact and the other and in addition, as the individual valves are subjected each to a different pressure downstream and upstream, with fast cycle times there is an imbalance between the various phases. All this is compensated by software so that the opening and closing synchronism is as precise as possible, adapting to the various types of valve used and thus allowing each new phase of the cycle to be started with the pipes concerned already 'clean'. In other words, if phase B is not interposed between phases A and C, and then phase D, there is a risk of polluting the last gas recovered from B1 with the gas still being filtered in B2 or vice versa.
Successivamente, l'ossigeno in BO viene immesso in Bl, da B2 viene estratto l'ossigeno purificato e il ciclo prosegue con le fasi A'-D' simmetriche rispetto alle fasi descritte A-D. Subsequently, the oxygen in BO is introduced into B1, the purified oxygen is extracted from B2 and the cycle continues with the phases A'-D 'symmetrical with respect to the phases described A-D.
Con riferimento alla fig.1, nelle varie fasi del ciclo vale il seguente stato di apertura/chiusura delle valvole: With reference to fig. 1, in the various phases of the cycle the following valve opening / closing status applies:
Fase Valvole aperte Phase Valves open
Secondo il procedimento, a valle del serbatoio B3 è anche prevista una fase di compressione dell'ossigeno purificato, e destinato all'utenza mediante un compressore C1 ed un ulteriore serbatoio B4 oppure immesso nel serbatoio BO al fine di regolare la pressione e il tenore in ossigeno del gas entrante in B1 e B2. According to the method, downstream of the tank B3 there is also a compression phase of the purified oxygen, and intended for the user by means of a compressor C1 and an additional tank B4 or introduced into the tank BO in order to regulate the pressure and the content in oxygen of the gas entering B1 and B2.
Nella forma realizzativa ora descritta, i componenti attivi durante il procedimento sono controllati mediante un software ed una elettronica a microprocessore appositamente sviluppati. Grazie a questa soluzione il procedimento è capace di adattarsi anche a variazioni inattese come un eventuale degrado del materiale filtrante o a variazioni della pressione o della qualità del gas in ingresso. Questo adattamento viene effettuato in base all'obiettivo desiderato (purezza dell'ossigeno, produzione o efficienza dell'impianto) con il software di controllo che farà variare i tempi di apertura delle valvole nelle vàrie fasi ottimizzando lo sfruttamento del materiale contenuto nei recipienti B1 e B2. In the embodiment described above, the active components during the process are controlled by means of a specially developed software and microprocessor electronics. Thanks to this solution, the process is also capable of adapting to unexpected variations such as a possible degradation of the filtering material or to variations in the pressure or quality of the incoming gas. This adaptation is carried out according to the desired objective (purity of oxygen, production or efficiency of the system) with the control software that will vary the opening times of the valves in the various phases, optimizing the exploitation of the material contained in the B1 containers and B2.
Vantaggiosamente, controllando con opportuni trasduttori la pressione a monte e a valle dei letti di materiale filtrante, è anche possibile stabilire quando.e in che misura riversare parte dell'ossigeno in pressione di B4 nel serbatoio BO e controllare così il comportamento del materiale filtrante. Advantageously, by controlling the pressure upstream and downstream of the beds of filtering material with suitable transducers, it is also possible to establish when and to what extent to pour part of the pressurized oxygen of B4 into the tank BO and thus control the behavior of the filtering material.
Inóltre, controllando il funzionamento del regolatore di flusso R1 è possibile espellere da B1 e B2 una quantità maggiore o minore di gas a basso tenore di ossigeno, impedendone il passaggio in B3 nelle fasi di estrazione dell'ossigeno purificato. Questa regolazione è utile ad esempio nel caso che si vòglia privilegiare la qualità dell'ossigeno prodotto o il livello di produttività dell'impianto. In addition, by controlling the operation of the flow regulator R1 it is possible to expel from B1 and B2 a greater or lesser quantity of gas with a low oxygen content, preventing its passage into B3 in the phases of extraction of the purified oxygen. This adjustment is useful, for example, if you want to privilege the quality of the oxygen produced or the productivity level of the plant.
Da quanto esposto è quindi evidente che le prestazioni ottenibili con un procedimento cosi concepito possono variare in modo controllabile, modificando le pressioni e i tempi della fase di absorbimento dell'ossigeno nei letti filtranti. In tal modo è possibile ottenere purezze maggiori, riducendo l'efficienza complessiva, oppure diminuire la purezza finale a vantaggio della produttività. In modo del tutto analogo con il procedimento descritto è anche possibile mantenere continuamente sotto osservazione la qualità, o la quantità, dell'ossigeno prodotto, al fine di garantire all’utente il rispetto delle caratteristiche volute. From the above it is therefore evident that the performances obtainable with a process thus conceived can vary in a controllable way, by modifying the pressures and times of the oxygen absorption phase in the filter beds. In this way it is possible to obtain higher purities, reducing the overall efficiency, or decrease the final purity to the advantage of productivity. In a completely similar way with the procedure described, it is also possible to continuously monitor the quality, or quantity, of the oxygen produced, in order to guarantee the user compliance with the desired characteristics.
A titolo di esempio, nelle prove effettuate si è verificato che partendo da un gas al 96% di ossigeno, ad una purezza finale del 98,5% corrisponde una perdita del 20% di gas grèzzo, mentre a purezze del 99-99,2% corrisponde una perdita del 30%. By way of example, in the tests carried out it was verified that starting from a gas with 96% oxygen, a final purity of 98.5% corresponds to a loss of 20% of coarse gas, while at purities of 99-99.2 % corresponds to a loss of 30%.
Secondo l'invenzione, è anche prevista un'analisi continua del gas prodotto e una correzione automatica dei tempi del procedimento mediante il controllo software delle valvole. According to the invention, there is also provided a continuous analysis of the gas produced and an automatic correction of the times of the process by means of software control of the valves.
Secondo l'invenzione, è anche stato realizzato un impianto per l'attuazione del procedimento descritto, schematizzato in fig.1, nella quale: According to the invention, a plant has also been provided for carrying out the described process, schematized in fig. 1, in which:
- I rappresenta l'alimentazione di gas con tenore di ossigeno pari a circa il 90-96%. - I represents the gas supply with an oxygen content of approximately 90-96%.
- B0 è un serbatoio del gas ricco di ossigeno in ingresso. Preferibilmente il tenore di ossigeno del gas contenuto è > 94%. - B0 is a gas tank rich in incoming oxygen. Preferably the oxygen content of the contained gas is> 94%.
- B1-B2 sono recipienti con i letti di materiale filtrante, preferibilmente setacci molecolari a carbone attivato (CMS). B1 e B2 sono connessi al serbatoio B0 mediante valvole elettropneumatiche Y1-Y3 e in uscita sono provvisti di valvole unidirezionali CV1 e CV2 convergenti in un regolatore di flusso RI. In una forma preferita di realizzazione, la mesh del materiale può variare nell'intervallo 4÷8 e lo stesso materiale è compattato e trattenuto tra due serie di reti/filtro a mesh variabili. Con questa soluzione si riesce a trattenere la polvere del materiale prodotta dallo sfregamento del gas pressurizzato in ingresso; - B1-B2 are vessels with the beds of filter material, preferably activated carbon molecular sieves (CMS). B1 and B2 are connected to the tank B0 by means of electropneumatic valves Y1-Y3 and at the outlet they are provided with unidirectional valves CV1 and CV2 converging in a flow regulator RI. In a preferred embodiment, the mesh of the material can vary in the range 4 ÷ 8 and the same material is compacted and retained between two sets of variable mesh nets / filters. With this solution it is possible to retain the dust of the material produced by the friction of the pressurized inlet gas;
- B3-B4 sono serbatoi dell'ossigeno purificato prodotto. B3 è connesso ai recipienti B1 e B2 mediante valvole elettropneumatiche Y4-Y6 e in uscita è collegato ad un compressore Gl che comprime e immette l'ossigeno nel serbatoio B4. A sua volta B4 è connesso al serbatoio BO mediante una valvola elettropneumatica Y7 e una valvola a sfioro R2 poste in serie, e con l'uscita 0 verso l'utenza mediante una valvola elettropneumatica Y8 e una valvola a sfioro R3 anch'esse in serie. - B3-B4 are reservoirs of the purified oxygen produced. B3 is connected to the containers B1 and B2 by means of electropneumatic valves Y4-Y6 and at the outlet it is connected to a compressor Gl which compresses and introduces the oxygen into the B4 tank. In turn, B4 is connected to tank BO by means of an electropneumatic valve Y7 and an overflow valve R2 placed in series, and with the outlet 0 towards the user by means of an electropneumatic valve Y8 and an overflow valve R3 also in series .
Sono inoltre previsti, ma non rappresentati in figura, trasduttori di pressione posti in ingresso ed in uscita dei recipienti B1 e B2 e connessi all'unità elettronica a microprocessore,,anch'essa non visibile in figura, per la gestione via software del funzionamento dell'impianto. Secondo l'invenzione, al variare delle pressioni di ingresso e uscita dai recipienti B1 e B2 il software modifica i tempi di apertura delle elettrovalvole determinando la durata ottimale delle varie fasi precedentemente descritte, in funzione delle caratteristiche volute della produzione. Allo stesso scopo è anche controllato RI, che viene mantenuto costantemente aperto e modulato via software in modo da regolare il flusso dello spurgò dei recipienti B1 e B2 in base alle esigenze di qualità/quantità di gas richieste. Pressure transducers are also provided, but not shown in the figure, placed at the inlet and outlet of containers B1 and B2 and connected to the microprocessor electronic unit, also not visible in the figure, for software management of the operation of the 'plant. According to the invention, as the inlet and outlet pressures of the containers B1 and B2 vary, the software modifies the opening times of the solenoid valves, determining the optimal duration of the various stages described above, depending on the desired characteristics of the production. For the same purpose RI is also controlled, which is kept constantly open and modulated via software in order to regulate the flow of the purging of containers B1 and B2 according to the quality / quantity of gas required.
Secondo l'invenzione, l'impianto è utilizzabile a sé stante o come modulo supplementare di purificazione da associare ad un qualunque impianto per la produzione di ossigeno. According to the invention, the plant can be used on its own or as an additional purification module to be associated with any plant for the production of oxygen.
Inoltre, è anche,ipotizzabile l'impiego in cascata di impianti secondo l'invenzione,per la purificazione ih passi successivi di un gas in ingresso. Furthermore, the use in cascade of plants according to the invention for the purification of the successive steps of an incoming gas is also conceivable.
La presente invenzione è stata descritta con riferimento ad una forma preferita di realizzazione, ma si intende che modifiche equivalenti potranno essere apportate da ogni tecnico del ramo senza comunque uscire dall'ambito della tutela accordata alla presente privativa industriale. The present invention has been described with reference to a preferred embodiment, but it is understood that equivalent modifications can be made by any person skilled in the art without in any case departing from the scope of the protection accorded to this industrial property.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 0001 | Granted |