PL213186B1 - Urządzenie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego.

Znane jest z polskiej literatury górniczej, przykładowo z artykułu „Zasadnicza droga do poprawy stanu bezpieczeństwa pożarowego w polskim górnictwie węgla kamiennego. Inertyzacja z wykorzystaniem azotu” autorstwa pp. Z. Kajdasza i P. Buchwalda, zamieszczonego w publikacji Ratownictwo Górnicze nr 3/98, urządzenie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego. Urządzenie to zawiera: sprężarkę powietrza, system wielostopniowego oczyszczania powietrza, moduły membranowe, oraz aparaturę regulacyjną. Rozdzielanie powietrza atmosferycznego na membranach polega na różnicach we wzajemnych właściwościach fizykochemicznych i chemicznych oddziaływaniach pomiędzy składnikami mieszaniny powietrza a materiałem membrany. Zjawisko to spowodowane jest różnicą w szybkości przenikania składników powietrza przez membranę. Membrana dzieli powietrze atmosferyczne na strumień przenikający i strumień zatrzymany. Obecnie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego stosowane są głównie membrany polimerowe. Sprężone i osuszone powietrze atmosferyczne zostaje oczyszczone przy pomocy odpowiednich filtrów i przechodzi do części membranowej składającej się z wielkiej ilości równolegle przebiegających włókien drążonych. Dzięki wykorzystaniu zjawiska dyfuzji, we włóknach tych zostają rozdzielone różne składniki powietrza i na końcu części membranowej otrzymujemy azot o bardzo niskiej zawartości tlenu. Pozostałe powietrze wzbogacone w tlen przepływa swobodnie do atmosfery. Aby zapewnić właściwą czystość azotu przeprowadza się przy pomocy specjalnego urządzenia ciągłą analizę zawartości resztkowej tlenu w produkcie . Przy przekroczeniu dopuszczalnej granicy „zanieczyszczony” azot wydmuchiwany jest do atmosfery. Kompletne urządzenie membranowe, sprężarka oraz szafa sterownicza umieszczone są na ramie podtrzymującej i zabudowane w odpowiednim kontenerze ze wzmocnioną ramą podłogi.

Metoda adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA/Pressure Swing Adsorbtion/ w pozyskiwaniu azotu z powietrza atmosferycznego polega w ogólnym zarysie na wykorzystaniu zjawiska powierzchniowego wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji stałej. W praktyce metoda ta polega na podawaniu osuszonego i sprężonego powietrza atmosferycznego do kolumny zawierającej sito molekularne posiadające zdolność selektywnego adsorbowania. Sito adsorbuje tlen zawarty w strumieniu powietrza oraz część gazów zwrotnych. Kiedy sito stanowiące najczęściej węgiel aktywny dochodzi do fazy nasycenia/saturacji/przepływ strumienia gazu wlotowego kierowany jest na drugą kolumnę, podczas gdy pierwsza ulega regeneracji. Cykl wydostawania się azotu z kolumn powtarza się naprzemiennie, powodując stały przepływ azotu gazowego.

Wynalazek dotyczy urządzenia do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego wyposażonego w układ sprężania powietrza, układ filtrów oraz wytwornice azotu. Istota wynalazku polega na tym, że urządzenie zawiera układ dostarczania sprężonego powietrza, filtr cyklonowy filtr koalescencyjny, osuszacz chłodniczy, filtr i submikrofiltr węglowy wraz z automatycznym spustem kondensatu pod zbiornik z grzałką oraz izolacją spustu, separator olej/kondensat z grzałką, bufor w postaci zbiornika sprężonego powietrza, układ dwóch wytwornic azotu gazowego wytwarzającego azot w oparciu o adsorpcję zmiennociśnieniową, bufor w postaci zbiornika azotu o dużej pojemności, aparaturę regulacyjną, układ wentylacji, układ sterowania i kontroli, układ teletransmisji.

W korzystnym wykonaniu układ dostarczania sprężonego powietrza zawiera do czterech sprężarek i/lub urządzenie do pobierania zewnętrznego strumienia sprężonego powietrza oraz sterownik sprężania.

Dalszą korzyść osiąga się, gdy sprężarki posadowione są na podłodze przy pomocy wózków jezdnych.

Korzystnym jest również, gdy układ wentylacji zawiera żaluzje i wentylatory.

Ponadto korzystnym jest, gdy żaluzje sterowane są przy pomocy czujników temperatury zespołu sterowniczego.

Celowym jest również, gdy urządzenie umieszczone jest we wnętrzu kontenera, o wzmocnionym i przystosowanym do klimatyzowania i wentylowania wnętrza poszyciu.

Zabudowanie urządzenia w jednym, przystosowanym do przewozu samochodowego lub kolejowego kontenerze o gabarytach umożliwiających przewóz w warunkach ruchu drogowego nie wymaga konieczności uzyskiwania dodatkowych zezwoleń.

Urządzenie według wynalazku jest uwidocznione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat pneumatyczny urządzenia, fig. 2 urządzenie do pozyskiwania azotu w widoku z góry, a fig. 3 w widoku z boku.

PL 213 186 B1

Urządzenie do pozyskiwania azotu w schemacie pneumatycznym przedstawionym na fig. 1 zawiera układ dostarczania sprężonego powietrza 1, filtr cyklonowy 2, filtr koalescencyjny -, osuszacz chłodniczy 4, filtr i submikrofiltr węglowy 5 wraz z automatycznym spustem kondensatu pod zbiornik z grzałką oraz izolacją spustu, Owomat - separator 6 olej/kondensat z grzałką, bufor w postaci zbiornika sprężonego powietrza 7, układ dwóch wytwornic (generatorów) azotu gazowego typu PSA 8, czyli wytwornic azotu gazowego wytwarzającego azot w oparciu o adsorpcję zmiennociśnieniową oraz bufor w postaci zbiornika azotu o dużej pojemności 9. Układ dostarczania sprężonego powietrza 1 zawiera cztery sprężarki 16 i/lub urządzenie do pobierania strumienia sprężonego powietrza 17, oraz sterownik sprężania 18.

Na fig. 2 przedstawiono dodatkowo aparaturę regulacyjną 10, układ wentylacji 11, układ sterowania i kontroli 12 oraz układ teletransmisji 13.

Na fig.3 pokazano dodatkowo, że sprężarki 16 posadowione są na podłodze przy pomocy wózków jezdnych 20. Układ wentylacji 11 zawiera żaluzje 15 i wentylatory 14. Żaluzje 15 sterowane są przy pomocy czujników temperatury zespołu sterowniczego 12 (fig. 2). Urządzenie umieszczone jest we wnętrzu kontenera 19, o wzmocnionym i przystosowanym do klimatyzowania i wentylowania wnętrza poszyciu.

Urządzenie według wynalazku wykorzystuje strumień powietrza sprężony w wymaganym stopniu w układzie sprężania powietrza atmosferycznego. Strumień powietrza po wyjściu z układu sprężania przekazywany jest do układu filtra cyklonowego, który usuwa ze sprężonego powietrza ciecz skroploną w sprężonym powietrzu, a umieszczony jest za chłodnicą końcową sprężarki. Filtr jest standardowo wyposażony w układ wskazujący poziom płynów i zanieczyszczeń w filtrze, połączony z układem regulacji, oraz automatyczny spust kondensatu. Po przejściu przez układ filtra strumień skierowany zostaje do osuszacza chłodniczego. Urządzenie to posiada unikalną konstrukcję wymiennika ciepła. Zapewniając stały punkt rosy na poziomie +3°C przy produkcji azotu oraz -70°C przy produkcji samego sprężonego ₃ powietrza obniża ono zawartość wilgoci w sprężonym powietrzu do ok. 0,0027 - 0,88 g/m³ ( Suchość wg ISO 8573.1 - od 3. do 1. klasy). Posiada automatyczny spust kondensatu. Szczelny układ chłodniczy jest napełniony przyjaznym dla środowiska freonem R134a. Tak uzdatniony strumień sprężonego powietrza dociera do układu mikrofiltra, który usuwa ze sprężonego powietrza zanieczyszczenia stałe do wielkości 1 mikrometra oraz resztkową zawartości oleju do poziomu 0,1 mg/m-. Filtr ten w połączeniu z układem sterowania umożliwia dokonania kontroli poziomu płynów i zanieczyszczeń oraz dokonania automatycznego spustu kondensatu.

Powietrze sprężone dociera następnie, do submikrofiltra gdzie następuje usuwanie ze sprężonego powietrza zanieczyszczeń stałych do wielkości 0,01 mikrometra oraz zawartości oleju do pozio₃ mu 0,01 mg/m³. Submikrofiltr, poprzez układ sterowania umożliwia kontrolę poziomu płynów i zanieczyszczeń oraz automatyczny spust kondensatu.

Automatyczny spust kondensatu sterowany poprzez układ regulacji służy do usuwania kondensatu gromadzącego się w zbiornikach akumulacyjnych, filtrach i elementach pneumatyki.

Kolejnym elementem, do którego kierowany jest strumień powietrza sprężonego jest separator olej/woda. Jest to urządzenie chroniące środowisko, w którym następuje rozdzielenie spływającego kondensat tu z urządzeń filtracyjnych, osuszacza i zbiornika akumulacyjnego. Uzyskana klasa czystości wody kwalifikuje ją do odprowadzenia bezpośrednio do kanalizacji.

Tak uzdatniony strumień powietrza sprężonego, poprzez bufor w postaci zbiornika sprężonego powietrza wyrównujący jego ciśnienie, przekazywany jest do układu (-ów) generatorów typu PSA gdzie przy wykorzystaniu zjawiska powierzchniowego wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji stałej dochodzi do selektywnego adsorbowania tlenu zawartego w strumieniu powietrza oraz część gazów zwrotnych.

Po wyjściu z generatorów azot gazowy przekazywany jest do bufora w postaci zbiornika azotu gazowego gdzie stabilizowane jest ciśnienie i wydatek przepływu poprzez elektroniczny układ sterowania kontrolujący parametry całego procesu. Układ sterowania zapewnia niezakłóconą równomierną pracę wszystkich podzespołów optymalizując parametry ich pracy. Cały układ wytwarzania wyposażony jest w system teletransmisji służący do zdalnego monitorowania i sterowania pracą w pełnym zakresie sterowania i kontroli.

Układ sterowania i kontroli został tak zaprojektowany by sterować wymaganą ilością sprężarek, układami filtrowania i sterowania z wykorzystaniem układów zaworów z napędem elektrycznym. Układ sterowania koordynuje pracę sterownika nadrzędnego przewidzianego dla pracy układu sprężania oraz sterownika optymalizującego pracę układu generatora (-ów) PSA i pomaga produkować tyle

PL 213 186 B1 sprężonego powietrza oraz azotu gazowego ile jest potrzebne w danej chwili, jak najniższym możliwym kosztem. System używa „inteligentnych algorytmów” do pracy z minimalną ilością sprężarek i generatorów PSA, jeśli to wymagane, o jak najmniejszym poborze energii z jak najlepszym dopasowaniem do aktualnego zapotrzebowania. Optymalizuje ilość i kolejność włączanych sprężarek i generatorów PSA w taki sposób, aby utrzymać zadane ciśnienie w sieci sprężonego powietrza i azotu przy jak najmniejszym zużyciu energii elektrycznej z uwzględnieniem wymaganego wydatku przepływu i wymaganej czystości azotu gazowego. Dane są archiwizowane. Dane dotyczące obsługiwanego układu przekazywane są do regulatora przy wykorzystaniu układu teletransmisji.

Claims (6)

1. Urządzenie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego wyposażone w układ sprężania powietrza, układ filtrów, wytwornice azotu, znamienne tym, że zawiera układ dostarczania sprężonego powietrza (1), filtr cyklonowy (2) filtr koalescencyjny (3), osuszacz chłodniczy (4), filtr i submikrofiltr węglowy (5) wraz z automatycznym spustem kondensatu pod zbiornik z grzałką oraz izolacją spustu, separator (6) olej/kondensat z grzałką, bufor w postaci zbiornika sprężonego powietrza (7), układ dwóch wytwornic (8) azotu gazowego wytwarzającego azot w oparciu o adsorpcję zmiennociśnieniową, bufor w postaci zbiornika azotu o dużej pojemności (9), aparaturę regulacyjną (10), układ wentylacji (11), układ sterowania w i kontroli (12), układ teletransmisji (13).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ dostarczania sprężonego powietrza (1) zawiera do czterech sprężarek (16) i/lub urządzenie do pobierania zewnętrznego strumienia sprężonego powietrza (17) oraz sterownik sprężania (18).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężarki (16) posadowione są na podłodze przy pomocy wózków jezdnych (20).

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ wentylacji (11) zawiera żaluzje (15) i wentylatory (14).

5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 4, znamienne tym, że żaluzje (15) sterowane są przy pomocy czujników temperatury zespołu sterowniczego (12).

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że umieszczone jest we wnętrzu kontenera (19), o wzmocnionym i przystosowanym do klimatyzowania i wentylowania wnętrza poszyciu.