PL174311B1 - Sposób wytwarzania gazu produkcyjnego z mieszaniny gazu zasilającego zawierającej ten gaz produkcyjny i urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej ten gaz produkcyjny - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilają- ,57/ cego,zawierającej ten gaz produkcyjny, polegający na powtarzalnym przeprowadzaniu cyklu operacji obejmujących adsorpcję i regenerację złoża materiału adsorbentu, polegający na kontaktowaniu mieszaniny gazu zasilającego ze złożem materiału adsorbenta, który adsorbuje preferencyjnie przynajmniej jeden inny składnik mieszaniny gazu zasilającego w stosunku do gazu produkcyjnego i nakontroliczasu trwaniaetapu oczyszczania, znamienny tym, że desorbowanie złoża przeprowadza się w sposób przeciwbieżny, zaś oczyszczenie złoża przeprowadza się za pomocą gazu oczyszczającego, stanowiącego nieadsorbowany składnik gazu zasilającego, po czym ten gaz oczyszczający odprowadza się do atmosfery, przy czym podczas etapu oczyszczania monitoruje się czystość gazu opuszczającego złoże i po stwierdzeniu osiągnięcia w nim wstępnie wybranej zawartości procentowej objętości gazu oczyszczającegozatrzymuje się etap oczyszczania. 4. Urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej produkt gazowy poprzez adsorbcję odchyleń ciśnienia, zawierające kadź ze złożem adsorbentu, znamienne tym, że kadź (4, 6) posiada pierwszą ruręwlotową (2) przy jednym ze swych obszarów końcowych, połączoną ze źródłem mieszaniny gazu zasilającego pod ciśnieniem, pierwszą ruręwylotową (20) do odprowadzaniado atmosferydesorbowanych gazów ze złoża i przy lub w pobliżu swego drugiego obszaru końcowego drugą rurę wylotową (12) dla tego gazu produkcyjnego i drugą rurę wlotową (28) dla gazu oczyszczającego, przy czym każda z tych rur posiada zawór (14, 30) do kontrolowania przepływu przez nią gazu, zaś rura wylotowa (20) posiada ponadto czujnik (32) do wyczuwania, kiedy zawartość procentowa objętości gazu oczjszcczjąceeo.........

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego zawierającej ten gaz produkcyjny. W szczególności wynalazek dotyczy sposobu i urządzenia do wytwarzania tlenu z powietrza za pomocą technologii adsorbcji odchyleń ciśnienia (PSA).

Ze stanu techniki jest znane oddzielanie tlenu z powietrza za pomocą absorbentu, który ma zdolność powodowania oddzielenia pomiędzy dwoma głównymi składnikami

174 311 powietrza wwynikujego większej adsorbcji azotu niż tlenu. Występujące w sposób naturalny zeolity będą selektywnie adsorbowały azot i inne składniki powietrza preferencyjnie w stosunku do tlenu. Synteza zeolitów znacznie zwiększyła tę selektywność, umożliwiając wytworzenie poprzez technologię PSA tlenu o czystości od 93% powyżej.

Podczas pracy, złoże adsorbentu jest przepuszczane poprzez cykl, który obejmuje etap adsorpcji, w trakcie którego powietrze jest pompowane przez złoże pod ciśnieniem i większość azotu oraz część tlenu i zasadniczo cały dwutlenek węgla i para wodna w powietrzu zasilającym zostają adsorbowane, a z wylotu złoża jest dostarczany gaz produkcyjny bogaty w tlen; oraz etap desorbcji, w trakcie którego wylot złoża jest zamknięty, złoże jest dołączone do ciśnienia atmosferycznego zwykle poprzez swój wlot i/lub odpowietrzone poprzez ten wlot tak, że adsorbowane gazy zostają zasadniczo usunięte ze złoża, przez co jest ono przygotowane do następnego etapu adsorpcji.

Praktycznie, zwykle stosuje się dwa złoża adsorbentu i uruchamia się je w podobnych cyklach, które występują sekwencyjnie jeden przesunięty w fazie względem drugiego o 180°, tak że gdy jedno złoże jest w trakcie etapu adsorbcji, to drugie złoże jest w trakcie etapu desorbcji i na odwrót. W prostym procesie zawierającym tylko etap adsorbcji i desorbcji skuteczność wytwarzania tlenu jest niska. Zwykle wprowadza się dodatkowe etapy dla uzyskania lepszych czystości i bardziej skutecznego procesu, przy czym jednym z tych dodatkowych etapów może być etap oczyszczania, w którym gaz o jakości produkcyjnej ze złoża podlegającego adsorbcji jest odchylany do szczytu złoża podlegającego desorbcji, a gaz bogaty w tlen oczyszcza lub wypiera azot w złożu desorbującym.

Z opisów patentowych RP nr 168 674 i 162 439 jest znany sposób wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej ten gaz produkcyjny, polegający na powtarzalnym przeprowadzaniu cyklu operacji obejmujących adsorbcję i regenerację złoża materiału adsorbentu, polegający na kontaktowaniu mieszaniny gazu zasilającego ze złożem materiału adsorbenta, który adsorbuje preferencyjnie przynajmniej jeden inny składnik mieszaniny gazu zasilającego w stosunku do gazu produkcyjnego i na kontroli czasu trwania etapu oczyszczania (regeneracji) oraz urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej produkt gazowy poprzez absorbcję odchyleń ciśnienia, zawierające kadź ze złożem adsorbentu.

Jednakże jakikolwiek proces PSA, który wykorzystuje etap oczyszczania dla obniżenia częściowego ciśnienia wewnątrz złoża podczas regeneracji powoduje niewyrównoważenie z dowolnych możliwych przyczyn takich jak rozmaite ilości lub jakości adsorbentów w każdym złożu, rozmaite ciśnienia lub różniące się ograniczenia nakładane na każde złoże. Stopień trudności wyrównoważenia złóż jest czasochłonny i będzie prawidłowy jedynie w czasie regulacji. Zmiany w warunkach atmosfery otaczającej mogą powodować odchylenia działania urządzenia od jego ustawionych parametrów optymalnych.

Celem wynalazku jest takie zmodyfikowanie znanego urządzenia PSA do wytwarzania tlenu, że można stosować optymalne oczyszczanie przy rozmaitych szybkościach wytwarzania niezależnie od warunków otoczenia lub warunków procesowych, tak że można uzyskać regenerację z każdego złoża przy odpowiadających mu szczególnych warunkach regeneracji.

Sposób wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej ten gaz produkcyjny, polegający na powtarzalnym przeprowadzaniu cyklu operacji obejmujących adsorpcję i regenerację złoża materiału adsorbentu, polegający na kontaktowaniu mieszaniny gazu zasilającego ze złożem materiału adsorbenta, który adsorbuje preferencyjnie przynajmniej jeden inny składnik mieszaniny gazu zasilającego w stosunku do gazu produkcyjnego i na kontroli czasu trwania etapu oczyszczania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że desorbowanie złoża przeprowadza się w sposób przeciwbieżny, zaś oczyszczenie złoża przeprowadza się za pomocą gazu oczyszczającego, stanowiącego nieadsorbowany składnik gazu zasilającego, po czym ten gaz oczyszczający odprowadza się do atmosfery, przy czym podczas etapu oczyszczania monitoruje się czystość gazu opuszczającego złoże i po stwierdzeniu osiągnięcia w nim wstępnie

174 311 wybranej zawartości procentowej objętości gazu oczyszczającego zatrzymuje się etap oczyszczania.

Korzystnie stosuje się liczne złoża materiału adsorbenta, każde pracujące według podobnego cyklu jednakże w sekwencji przesunięcia w fazie jednego względem drugiego tak, że wytwarzane jest zasadniczo ciągłe podawanie gazu produkcyjnego.

Jako mieszaninę gazu zasilającego korzystnie stosuje się powietrze a jako gaz produkcyjny stosuje się tlen.

Urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej produkt gazowy poprzez adsorbcję odchyleń ciśnienia, zawierające kadź ze złożem adsorbentu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kadź posiada pierwszą rurę wlotową przy jednym ze swych obszarów końcowych, połączoną ze źródłem mieszaniny gazu zasilającego pod ciśnieniem, pierwszą rurę wylotową do odprowadzania do atmosfery desorbowanych gazów ze złoża i przy lub w pobliżu swego drugiego obszaru końcowego drugą rurę wylotową dla tego gazu produkcyjnego i drugą rurę wlotową dla gazu oczyszczającego, przy czym każda z tych rur posiada zawór do kontrolowania przepływu przez nią gazu, oraz czujnik do wyczuwania, kiedy zawartość procentowa gazu oczyszczającego w pierwszej rurze wylotowej osiągnie wstępnie wybrany poziom składnika nieadsorbowanego, przy czym ten czujnik przekazuje sygnał do jednostki regulacyjnej, która z kolei zamyka zawór połączony z drugą rurą wlotową, zapobiegając tym samym przepływowi przez nią gazu oczyszczającego.

Czujnik korzystnie stanowi ogniwo paliwowe umieszczone w pierwszej rurze wylotowej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, stanowiącym schemat urządzenia PSA do oddzielania tlenu z powietrza.

Jak pokazano, urządzenie 1 do wytwarzania tlenu z powietrza zawiera rurę wlotową 2 powietrza z kompresora (niepokazanego). Rura wlotowa 2 powietrza może być umieszczona w połączeniu z każdą kadzią 4, 6 zawierających złoża zeolitowego cząsteczkowego adsorbenta sitowego. Zawór 8 jest uruchamiany dla łączenia dna kadzi 4 z rurą wlotową 2 lub dla zamykania tego połączenia. Podobnie, zawór 10 łączy dno kadzi 6 z rurą wlotową 2 lub zamyka to połączenie.

Urządzenie 1 zawiera rurę wylotową 12 dla produktu gazowego bogatego w tlen, w której jest umieszczony zawór 14. Zawory 16,18 łączą odpowiednio wierzch kadzi 4 i 6 lub odłączają go od rury wylotowej 12. Rura wylotowa 12 biegnie w kierunku kadzi odbiorczej tlenu (niepokazanej).

Urządzenie 1 zawiera rurę wylotową 20 na gazy odpadowe i gaz oczyszczający. Zawór 22 łączy dno kadzi 4 z rurą wylotową 20 lub zamyka to połączenie. Podobnie, zawór 24 łączy dno złoża 6 z rurą wylotową 20 lub zamyka to połączenie.

Rura wlotowa 28 łączy ze sobą górne końce kadzi 4, 6, a zawór 30 reguluje przepływ gazu pomiędzy kadziami 4, 6 poprzez rurę wlotową 28.

W rurze wylotowej 20 jest umieszczona głowica czujnika 32 analizatora szybkiej odpowiedzi, przykładowo ogniwo paliwowe, dla wyczuwania procentowej zawartości objętości tlenu przepływającego przez rurę wylotową 20. Ogniwo paliwowe jest tak umieszczone, że w trakcie pracy może ono analizować przepływ gazu przez rurę wylotową 20 i wytwarzać sygnał, który jest przekazywany do jednostki regulacyjnej 34. Jednostka regulacyjna 34 jest podłączona do zaworu 30 dla dopuszczenia lub wstrzymania przepływu gazu oczyszczającego poprzez rurę wlotową 28 jak będzie wyjaśnione poniżej.

Podczas pracy przy rozpoczęciu cyklu roboczego, wnętrze kadzi 4 jest wstawione na oddziaływanie powietrza zasilającego pod ciśnieniem, dopływającego z kompresora (niepokazanego) poprzez rurę wlotową 2, otwarty zawór 8 i do spodu ciśnieniowej kadzi

4. Złoże zeolitu adsorbuje azot bogaty w tlen, a gaz produkcyjny opuszcza kadź 4 poprzez zawór 16 do rury wylotowej 12, przez zawór 14 i przykładowo do kadzi odbiorczej tlenu (niepokazanej).

Podczas, gdy zeolit w kadzi 4 jest w etapie adsorbcji, to zeolit w kadzi 6 podlega etapowi desorbcji, w którym dno kadzi 6 jest połączone z atmosferą poprzez otwarty

174 311 zawór 24 i rurę wylotową 20. Tak więc, resztkowy nieadsorbowany gaz jest odprowadzany, zaś adsorbowany gaz, głównie azot, zostaje desorbowany i również odprowadzony.

Podczas tego przez zawór 30 przechodzi kontrolowany przepływ gazu oczyszcza jącego tak, że z kadzi 4, poprzez rurę wlotową 28 i otwarty zawór 30 wypływa produkt gazowy wzbogacony w tlen do górnego końca kadzi 6. Gaz oczyszczający będzie płynął w dół poprzez kadź 6 i otwarty zawór 24 do rury wylotowej 20 i stąd do atmosfery. Przepływ czystego tlenu wypiera azot w desorbującym złożu wewnątrz kadzi 6. Etap oczyszczania będzie kontynuowany dopóki ogniwo paliwowe czujnika 32 nie wyczuje, że procentowa zawartość objętości tlenu w gazie płynącym poprzez rurę wylotową 20 osiągnęła wstępnie wybrany poziom. Gdy tylko ten poziom zostanie osiągnięty, wówczas ogniwo paliwowe czujnika 32 przekaże sygnał do jednostki regulacyjnej 34, która automatycznie zamknie zawór 30 i przerwie przepływ gazu oczyszczającego przez rurę wlotową 28.

Po etapie wytwarzania/oczyszczania, zeolit w kadziach 4, 6 będzie podlegał etapowi wyrównoważenia, w którym powietrze bogate w tlen będzie przechodziło ze złoża o wyższym ciśnieniu 4 poprzez zawory 16,18 do złoża 6. Następnie zeolit odwróci funkcję tak, że powietrze zasilające pod ciśnieniem będzie teraz przechodziło przez rurę wlotową 2 i będzie kierowane poprzez otwarty zawór 10 do spodu kadzi 6. Gaz produkcyjny bogaty w tlen opuszcza kadź 6 poprzez otwarty zawór 18 i przechodzi wzdłuż rury wylotowej 12 i otwarty zawór 14 w kierunku kadzi odbiorczej tlenu.

Podczas etapu adsorbcji zeolitu w kadzi 6, zeolit w kadzi 4 będzie desorbowany poprzez otwarty zawór 22 tak, że nieadsorbowany tlen i adsorbowany azot opuszcza dno kadzi 4 poprzez otwarty zawór 22 i rurę wylotową 20, zaś ciągły kontrolowany przepływ gazu oczyszczającego będzie płynął z kadzi 6 przez rurę wlotową 28 i otwarty zawór 30 do górnego końca kadzi 4. Gaz oczyszczający będzie płynął w dół przez kadź 4, otwarty zawór 22 do rury wylotowej 20 i stąd do atmosfery.

Jak wyjaśniono powyżej, przepływ oczyszczonego tlenu powoduje wypieranie azotu w złożu desorbującym wewnątrz kadzi 4. Etap oczyszczania będzie kontynuowany tak długo, aż ogniwo paliwowe czujnika 32 wyczuje, że procentowa zawartość objętości tlenu w gazie płynącym przez rurę wylotową 20 osiągnęła wstępnie wybrany poziom, i gdy tylko ten poziom zostanie osiągnięty, przekazuje ono sygnał do jednostki regulacyjnej 34, zamykając tym samym zawór 30.

Po tym etapie oczyszczania, ciśnienie w kadziach 4, 6 zostaje ponownie wyrównoważone poprzez otwarcie zaworów 16,18 tak, że gaz o większym ciśnieniu w kadzi 6 przepływa do szczytu kadzi 4.

Z opisanego powyżej rozwiązania wynika, że zastosowanie głowicy czujnikowej analizatora dla sygnalizowania, kiedy gaz przepływający przez rurę wylotową 20 osiągnie wstępnie wybrany poziom zawartości gazu oczyszczającego, zapobiega jakiemukolwiek nadmiernemu ubytkowi gazu oczyszczającego bogatego w tlen.

Ponadto unika się stosowania czasochłonnych i trudnych operacji wyrównoważania każdego złoża adsorbentu.

Stwierdzono, że układ taki jest bardzo korzystny ze względu na oszczędność mocy w przypadku następującego ewentualnie wyłączenia obciążenia (redukcja poboru produktu, który następnie wymaga mniejszej ilości gazu oczyszczającego a więc mniejszej mocy).

Jakkolwiek przedstawione rozwiązanie przykładowo jest odniesione do urządzenia PSA, w którym gazy odpadowe i gaz oczyszczający są odprowadzane do atmosfery, to z rurą wylotową 20 może być połączona w znany sposób pompa próżniowa dla odciągania tych gazów.

174 311

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego,zawierającej ten gaz produkcyjny, polegający na powtarzalnym przeprowadzaniu cyklu operacji obejmujących adsorpcję i regenerację złoża materiału adsorbentu, polegający na kontaktowaniu mieszaniny gazu zasilającego ze złożem materiału adsorbenta, który adsorbuje preferencyjnie przynajmniej jeden inny składnik mieszaniny gazu zasilającego w stosunku do gazu produkcyjnego i na kontroli czasu trwania etapu oczyszczania, znamienny tym, że desorbowanie złoża przeprowadza się w sposób przeciwbieżny, zaś oczyszczenie złoża przeprowadza się za pomocą gazu oczyszczającego, stanowiącego nieadsorbowany składnik gazu zasilającego, po czym ten gaz oczyszczający odprowadza się do atmosfery, przy czym podczas etapu oczyszczania monitoruje się czystość gazu opuszczającego złoże i po stwierdzeniu osiągnięcia w nim wstępnie wybranej zawartości procentowej objętości gazu oczyszczającego zatrzymuje się etap oczyszczania.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się liczne złoża materiału adsorbenta, każde pracujące według podobnego cyklu jednakże w sekwencji przesunięcia w fazie jednego względem drugiego tak, że wytwarzane jest zasadniczo ciągłe podawanie gazu produkcyjnego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako mieszaninę gazu zasilającego stosuje się powietrze a jako gaz produkcyjny stosuje się tlen.
4. 4. Urządzenie do wytwarzania gazu produkcyjnego jako składnika nieadsorbowanego z mieszaniny gazu zasilającego, zawierającej produkt gazowy poprzez adsorbcję odchyleń ciśnienia, zawierające kadź ze złożem adsorbentu, znamienne tym, że kadź (4, 6) posiada pierwszą rurę wlotową (2) przy jednym ze swych obszarów końcowych, połączoną ze źródłem mieszaniny gazu zasilającego pod ciśnieniem, pierwszą rurę wylotową (20) do odprowadzania do atmosfery desorbowanych gazów ze złoża i przy lub w pobliżu swego drugiego obszaru końcowego drugą rurę wylotową (12) dla tego gazu produkcyjnego i drugą rurę wlotową (28) dla gazu oczyszczającego, przy czym każda z tych rur posiada zawór (14, 30) do kontrolowania przepływu przez nią gazu, zaś rura wylotowa (20) posiada ponadto czujnik (32) do wyczuwania, kiedy zawartość procentowa objętości gazu oczyszczającego w gazie opuszczającym złoże tą pierwszą rurą wylotową (20) osiągnie wstępnie wybrany poziom, przy czym ten czujnik (32) przekazuje sygnał do jednostki regulacyjnej (34), która z kolei zamyka zawór (30) połączony z drugą rurą wlotową (28), zapobiegając tym samym przepływowi przez nią gazu oczyszczającego.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że czujnik (32) stanowi ogniwo paliwowe umieszczone w pierwszej rurze wylotowej (20).