RU101646U1

RU101646U1 - PLANT FOR PRODUCING OXYGEN FROM ATMOSPHERIC AIR

Info

Publication number: RU101646U1
Application number: RU2010135368/05U
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Левин; Александр Юрьевич Окунев; Алла Васильевна Буклина; Алексей Борисович Зиновьев; Владимир Петрович Иванов; Елена Евгеньевна Кожаринова; Вячеслав Александрович Рябов; Сергей Павлович Степанов; Елена Алексеевна Окунева; Ирина Вадимовна Окунева
Original assignee: Евгений Владимирович Левин; Александр Юрьевич Окунев
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Установка относится к устройствам для обогащения атмосферного воздуха кислородом методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦА) и может быть использована в лечебной терапии, химической, медицинской, микробиологической, авиационной, морской и других отраслях промышленности, где требуется использование газовых сред с повышенным содержанием кислорода. Задачей и техническим результатом установки является повышение производительности, степени извлечения и обеспечение возможности повышения концентраций кислорода в производимых продуктах. Установки для получения кислорода из атмосферного воздуха, работает следующим образом. Воздушный компрессор 1 засасывает атмосферный воздух, сжимает его и подает на вход устройства осушки 2, в котором происходит отделение влаги и масла. Осушенный и сжатый воздух поступает на вход адсорбционного блока. Блок управления 19 адсорбционного блока управляет клапанами 15-18 таким образом, что каждый из адсорберов 3, 4 попеременно проходит цикл сорбции-десорбции (регенерации), причем в момент, когда один из них находится в стадии сорбции, другой регенерируется. Одновременно открытыми или закрытыми могут быть пары клапанов 15-17 и 16-18. Например, если пара клапанов 15-17 открыта, то пара клапанов 16-18 закрыта и при этом в адсорбер 4 поступает сжатый воздух и в нем происходит сорбция азота и обогащение потока кислородом, а адсорбер 3 соединен со сбросным трубопроводом 14, давление в нем опускается до атмосферного и проходит процесс десорбции азота (регенерация адсорбента). Переключение пар клапанов происходит периодически через равные промежутки времени. Обратные клапаны 22 и 23 установлены таким образом, что позволяют пропускать газ в ресивер только из адсорбера, находящегося под более высоким давлением. При этом другой адсорбер с низким давлением оказывается отсеченным от ресивера и от адсорбера с высоким давлением. Переключение обратных клапанов происходит автоматически при смене давления в адсорберах. Обратный клапан 24, установленный на входе в ресивер, позволяет предотвратить обратный поток газа из ресивера в адсорберы. В результате в ресивер 5 поступает поток воздуха, обогащенного кислородом, попеременно то из адсорбера 3, то из адсорбера 4. Основным назначением ресивера 5 является обеспечение относительно стабильного по давлению источника сжатого и обогащенного кислородом воздуха для его подачи в мембранный газоразделительный модуль 6. Воздух из ресивера поступает в объем 26 высокого давления мембранного модуля, который отделен от объема 27 низкого давления полупроницаемой селективной мембраной. Мембрана более проницаема для молекул кислорода и менее проницаема для молекул аргона и азота. В результате происходит дополнительное обогащение кислородом проникшего через мембрану воздуха, который из объема низкого давления отводится потребителю через выход 28. Непроникший через мембрану поток воздуха из объема высокого давления через выход 29, расходное устройство 30 и через трубопровод подается на адсорбер, который в течение данного полуцикла находится в стадии регенерации. Например, если в течение полуцикла открыта пара клапанов 15-17, то таким адсорбером должен быть адсорбер 3. Это достигается тем, что на трубопроводе 21 установлены два клапана управления газовыми потоками 31 и 32. В рассматриваемом примере открытым должен быть клапан 31, а в следующем полуцикле - клапан 32. Управление клапанами может производиться общим блоком управления 19. При этом синхронно и с высокой точность должно проводиться попеременное открытие и закрытие троек клапанов 15-17-31 и 16-18-32. В качестве клапанов 31 и 32 могут быть использованы обратные клапаны, что позволяет значительно упростить систему управления установкой. Расходное дросселирующее устройство 30 задает уровень высокого давления в адсорберах и в мембранном модуле. При эксплуатации установки в адсорберах 3 и 4 попеременно происходит обогащение воздуха кислородом за счет преимущественной сорбции азота. Одним из вариантов реализации устройства является устройство, в котором на сбросном трубопроводе 14 установлено расходное устройство 33, например в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Использование регулирования скорости истечения и скорости уменьшения давления выходящего из десорбера потока воздуха позволяет подобрать оптимальный режим десорбции, максимально согласованный с протекающими в десорбере переходными процессами. Использование КЦА установки с дополнительным мембранным газоразделительным модулем позволяет повысить степень извлечения кислорода и производительность процесса при равных энергозатратах более, чем в 1,5 раза. Концентрация кислорода может превысить предельные 95% и достигать величин более 99%. The installation relates to devices for enriching atmospheric air with oxygen by the method of short cycle adsorption-free adsorption (CCA) and can be used in medical therapy, chemical, medical, microbiological, aviation, marine and other industries where the use of gas environments with a high oxygen content is required. The objective and technical result of the installation is to increase productivity, the degree of extraction and providing the possibility of increasing oxygen concentrations in the products. Installations for the production of oxygen from atmospheric air, works as follows. The air compressor 1 draws in atmospheric air, compresses it and supplies it to the inlet of the drying device 2, in which moisture and oil are separated. Dried and compressed air enters the inlet of the adsorption unit. The control unit 19 of the adsorption unit controls the valves 15-18 so that each of the adsorbers 3, 4 alternately goes through a sorption-desorption (regeneration) cycle, and at the moment when one of them is in the sorption stage, the other is regenerated. At the same time, pairs of valves 15-17 and 16-18 can be open or closed. For example, if a pair of valves 15-17 is open, then a pair of valves 16-18 is closed and compressed air enters adsorber 4 and nitrogen is adsorbed in it and oxygen is enriched in the flow, and adsorber 3 is connected to the discharge pipe 14, the pressure in it drops to atmospheric and undergoes a process of nitrogen desorption (adsorbent regeneration). Switching pairs of valves occurs periodically at regular intervals. Check valves 22 and 23 are installed in such a way that they allow gas to pass into the receiver only from the adsorber, which is under a higher pressure. In this case, the other low-pressure adsorber is cut off from the receiver and from the high-pressure adsorber. Switching of check valves occurs automatically when the pressure in the adsorbers changes. The non-return valve 24, installed at the inlet to the receiver, prevents the backflow of gas from the receiver into the adsorbers. As a result, a stream of air enriched with oxygen enters the receiver 5, alternately either from the adsorber 3 or from the adsorber 4. The main purpose of the receiver 5 is to provide a relatively pressure-stable source of compressed and oxygen-enriched air for supplying it to the membrane gas separation module 6. Air from the receiver enters the high pressure volume 26 of the membrane module, which is separated from the low pressure volume 27 by a semipermeable selective membrane. The membrane is more permeable to oxygen molecules and less permeable to argon and nitrogen molecules. As a result, there is additional oxygen enrichment of the air that has penetrated through the membrane, which is discharged from the low-pressure volume to the consumer through outlet 28. The air stream that has not penetrated through the membrane from the high-pressure volume through outlet 29, the supply device 30, and through the pipeline is fed to the adsorber, which during this half cycle is in the stage of regeneration. For example, if a pair of valves 15-17 is open during the half-cycle, then the adsorber 3 should be such an adsorber. This is achieved by the fact that two gas flow control valves 31 and 32 are installed on the pipe 21. In the considered example, the valve 31 should be open, and in the next half-cycle is valve 32. The valves can be controlled by a common control unit 19. At the same time, alternately opening and closing the triples of valves 15-17-31 and 16-18-32 must be carried out synchronously and with high accuracy. As valves 31 and 32 can be used check valves, which can greatly simplify the control system of the installation. The flow choke device 30 sets the high pressure level in the adsorbers and in the membrane module. During operation of the installation in adsorbers 3 and 4, air is enriched with oxygen alternately due to the predominant adsorption of nitrogen. One of the embodiments of the device is a device in which a discharge device 33 is installed on the discharge pipe 14, for example, in the form of consumable washers, adjustable gas chokes, or in the form of any other devices that allow you to set the required gas flow and relieve pressure. Using the regulation of the outflow rate and the rate of decrease in pressure of the air stream leaving the stripper allows you to choose the optimal desorption mode, which is most consistent with the transient processes in the stripper. The use of a CCA unit with an additional membrane gas separation module makes it possible to increase the degree of oxygen extraction and process productivity with equal energy consumption by more than 1.5 times. The oxygen concentration can exceed the limit of 95% and reach values of more than 99%.

Description

Установка относится к устройствам для обогащения атмосферного воздуха кислородом методом короткоцикловой безнагревной адсорбции и может быть использована в лечебной терапии, химической, медицинской, микробиологической, авиационной, морской и других отраслях промышленности, где требуется использование газовых сред с повышенным содержанием кислорода.The installation relates to devices for enriching atmospheric air with oxygen by the method of short-cycle non-heating adsorption and can be used in medical therapy, chemical, medical, microbiological, aviation, marine and other industries where the use of gas environments with a high oxygen content is required.

Современная промышленность использует несколько способов и широкий спектр устройств на их основе, предназначенных для получения кислорода из атмосферного воздуха. Главными из них являются криогенные, мембранные газоразделительные и адсорбционные способы и устройства. Криогенные технологии позволяют производить кислород практически любой чистоты, но являются высокоэнергоемкими и экономически обоснованы только для крупномасштабных производств (от нескольких тонн в час и более). Мембранные газоразделительные технологии имеют существенно меньшую энергоемкость, обусловленную энергозатратами только на сжатие воздуха, но обладают недостатком, связанным с тем, что известные полупроницаемые мембранные материалы имеют сравнительно ограниченную селективность между кислородом и азотом и позволяют достигать концентраций кислорода на уровне 30-40 и в отдельных случаях до 50 и немногим более процентов. Для получения высоких обогащений требуется строить сложные каскадные схемы из мембранных газоразделительных установок. Традиционные адсорбционные технологии менее энергоэффективны по сравнению с мембранными, поскольку кроме сжатия обогащаемого воздуха требуют также его охлаждения на стадии сорбции и нагрева на стадии десорбции (регенерация адсорбента). Но при этом адсорбционные технологии выгодно отличаются тем, что позволяют в одной установке обогащать воздух кислородом до концентраций на уровне до 95% объемных. Мембранные и адсорбционные технологии имеют экономические преимущества перед криогенными при производительностях на уровне до сотен килограммов в час. Другим преимуществом является мобильность мембранных и адсорбционных устройств и возможность изготовления компактных установок специального назначения, например, в летательных аппаратах, генераторов кислорода для медицинских учреждений, для газосварочных аппаратов и др.Modern industry uses several methods and a wide range of devices based on them, designed to produce oxygen from atmospheric air. The main ones are cryogenic, membrane gas separation and adsorption methods and devices. Cryogenic technologies allow the production of oxygen of almost any purity, but are highly energy-intensive and economically justified only for large-scale production (from a few tons per hour or more). Membrane gas separation technologies have a significantly lower energy intensity due to energy consumption only for air compression, but have the disadvantage that the known semipermeable membrane materials have a relatively limited selectivity between oxygen and nitrogen and can reach oxygen concentrations of 30-40 and in some cases up to 50 and a little more than percent. To obtain high enrichment, it is required to build complex cascade schemes from membrane gas separation plants. Traditional adsorption technologies are less energy efficient than membrane ones, since in addition to compressing the enriched air, they also require cooling at the sorption stage and heating at the desorption stage (adsorbent regeneration). But at the same time, adsorption technologies are favorably distinguished by the fact that they allow enriching the air in oxygen in one installation to concentrations up to 95% by volume. Membrane and adsorption technologies have economic advantages over cryogenic ones with capacities up to hundreds of kilograms per hour. Another advantage is the mobility of membrane and adsorption devices and the possibility of manufacturing compact installations for special purposes, for example, in aircraft, oxygen generators for medical institutions, for gas welding machines, etc.

Одними из наиболее перспективных и наиболее энергоэффективных адсорбционных устройств для производства кислорода являются устройства, реализующие принципы безнагревной короткоцикловой адсорбции (КЦА), где чередующиеся циклы сорбции и десорбции в параллельных адсорберах проводятся при одинаковой температуре без энергозатрат на нагрев и охлаждение. Известные конструкции для реализации КЦА процессов включают в себя компрессор для сжатия воздуха, два одинаковых адсорбера, заполненных цеолитовым или другим адсорбентом, способным поглощать азот с большей скоростью и/или большей емкостью, чем кислород (Кепсель, К. Разновидности установок для производства технического кислорода из воздуха с использованием короткоцикловой адсорбции / К.Кепсель // Технические газы. - 2001. - №4. - С.33-37.). В один из адсорберов через систему входных трубопроводов и распределительных клапанов поступает сжатый воздух и в нем происходит преимущественная сорбция азота. Выходящий через выходной патрубок поток воздуха обогащен кислородом и его часть поступает потребителю. Второй адсорбер (десорбер) находится при пониженном давлении (в большинстве случаев атмосферном), что инициирует процесс десорбции азота из адсорбента (регенерация адсорбента). Для интенсификации десорбции в десорбер через систему трубопроводов и клапанов из первого адсорбера поступает часть потока воздуха, обогащенного кислородом. По истечении полуцикла адсорберы переключаются, т.е. первый проходит стадию десорбции, а второй при повышенном давлении обогащает воздух кислородом. Далее все многократно повторяется. Для переключения адсорберов на входных и выходных патрубках и трубопроводах установлена система управляющих клапанов. Процесс КЦА можно организовать при постоянной температуре, что определяет основные преимущества данных устройств перед другими адсорбционными газоразделительными устройствами.One of the most promising and most energy-efficient adsorption devices for oxygen production is devices that implement the principles of non-heating short-cycle adsorption (CCA), where alternating sorption and desorption cycles in parallel adsorbers are carried out at the same temperature without energy costs for heating and cooling. Known designs for the implementation of CCA processes include a compressor for compressing air, two identical adsorbers filled with a zeolite or other adsorbent capable of absorbing nitrogen at a faster rate and / or greater capacity than oxygen (Kepsel, K. Types of plants for the production of industrial oxygen from air using short-cycle adsorption / K. Kepsel // Technical Gases. - 2001. - No. 4. - S.33-37.). Compressed air enters one of the adsorbers through a system of inlet pipelines and distribution valves and predominantly sorption of nitrogen occurs in it. The air stream leaving the outlet pipe is enriched with oxygen and part of it enters the consumer. The second adsorber (desorber) is under reduced pressure (in most cases atmospheric), which initiates the process of nitrogen desorption from the adsorbent (adsorbent regeneration). To intensify desorption, a part of the oxygen enriched air stream enters the desorber through a system of pipelines and valves from the first adsorber. After a half-cycle, the adsorbers are switched, i.e. the first goes through a desorption stage, and the second, at elevated pressure, enriches the air with oxygen. Further, everything is repeated many times. To switch the adsorbers at the inlet and outlet pipes and pipelines, a system of control valves is installed. The CCA process can be organized at a constant temperature, which determines the main advantages of these devices over other adsorption gas separation devices.

Недостатками известных устройств КЦА являются следующие. Установки КЦА для обогащения кислорода являются сравнительно малопроизводительными. Степень извлечения кислорода из атмосферного воздуха (отношение парциального потока кислорода в потоке отбора продукта к парциальному потоку в потоке питания атмосферным воздухом) не превышает 20-30%. При этом поток отбора целевого продукта, идущего потребителю, составляет сравнительно малую величину относительно питающего потока сжатого воздуха, поступающего в адсорберы. В большинстве случаев потребителю от питающего потока поступает поток на уровне не выше 10%. Это связано с тем, что половину и более всего обогащенного кислорода приходится использовать для регенерации адсорбента в десорбере (на сдувку из сорбента азота и замещение на кислород). Даже при сравнительно невысоких концентрациях кислорода в продукте (например, на уровне 50-60%) реальная производительность КЦА установок не превышает заметно указанные выше 5-10% от величины потока питания. Это соотношение потоков является существенной составляющей, определяющей себестоимость производства кислорода (энергозатраты на сжатие большого входного потока воздуха).The disadvantages of the known CCA devices are as follows. CCA plants for oxygen enrichment are relatively inefficient. The degree of extraction of oxygen from atmospheric air (the ratio of the partial stream of oxygen in the product selection stream to the partial stream in the supply stream of atmospheric air) does not exceed 20-30%. Moreover, the selection stream of the target product, going to the consumer, is a relatively small value relative to the supply stream of compressed air entering the adsorbers. In most cases, the consumer receives a stream at a level of no higher than 10% from the supply stream. This is due to the fact that half and more of all enriched oxygen has to be used to regenerate the adsorbent in the stripper (by blowing off the nitrogen sorbent and replacing it with oxygen). Even with relatively low concentrations of oxygen in the product (for example, at the level of 50-60%), the real capacity of the CCA plants does not significantly exceed the above 5-10% of the supply flow. This ratio of flows is an essential component that determines the cost of oxygen production (energy consumption for compression of a large inlet air flow).

Основные причины, обуславливающие невысокие производительность и степень извлечения, состоят в том, что короткоцикловая адсорбция характеризуется малыми временами полуциклов (от секунд до нескольких минут в зависимости от используемого адсорбента, масштаба установки и необходимого обогащения). При этом в параллельных адсорберах протекают постоянные периодические нестационарные процессы. Постоянно меняется давление от атмосферного при десорбции до некоего максимального рабочего давления при сорбции. Постоянно по высоте адсорберов меняются величины газовых потоков, что связано как с самими процессами сорбции азота в адсорбере, так и его десорбции в десорбере, а также с непостоянством расходных характеристик дросселирующих элементов и нагнетательного компрессора. С ростом давления производительность компрессора падает, а при снижении давления пропускная способность дросселирующих устройств также уменьшается. В результате, для достижения высоких обогащений по кислороду необходима тонкая балансировка всех газовых потоков, которая должна скомпенсировать отрицательные воздействия переходных процессов. Единственным надежным способом является проведение относительно глубокой десорбции накопленного азота за счет интенсивной продувки десорбера, что и определяет сравнительно невысокую производительность установок. Кроме прочего, применение метода КЦА не позволяет достигать высоких концентраций кислорода, что обусловлено селективными свойствами сорбентов. Все известные сорбенты для обогащения кислорода обладают тем свойством, что имеют практически равные константы равновесия и константы скорости сорбции, как для молекул кислорода, так и для молекул аргона, который присутствует в воздухе в заметных количествах (на уровне 0,8-1,0%). В результате, в КЦА установках (как и в других установках для адсорбционного обогащения кислорода), при обогащении кислорода происходит одновременное обогащение аргона и концентрация кислорода имеет предельное значение около 95% объемных.The main reasons for the low productivity and degree of extraction are that short-cycle adsorption is characterized by short half-cycle times (from seconds to several minutes, depending on the adsorbent used, the scale of the plant, and the necessary enrichment). At the same time, constant periodic non-stationary processes occur in parallel adsorbers. The pressure is constantly changing from atmospheric pressure during desorption to a certain maximum working pressure during sorption. The gas flows are constantly changing along the height of the adsorbers, which is associated both with the processes of nitrogen sorption in the adsorber itself and its desorption in the desorber, as well as with the inconsistency of the flow characteristics of the throttling elements and the discharge compressor. With increasing pressure, the compressor performance decreases, and with decreasing pressure, the throughput of the throttling devices also decreases. As a result, to achieve high oxygen enrichments, fine balancing of all gas flows is necessary, which should compensate for the negative effects of transients. The only reliable way is to conduct a relatively deep desorption of the accumulated nitrogen due to intensive purging of the stripper, which determines the relatively low productivity of the plants. Among other things, the use of the CCA method does not allow to achieve high oxygen concentrations, which is due to the selective properties of sorbents. All known sorbents for oxygen enrichment have the property that they have practically equal equilibrium constants and sorption rate constants, both for oxygen molecules and for argon molecules, which are present in air in appreciable quantities (at the level of 0.8-1.0% ) As a result, in CCA plants (as in other plants for adsorption oxygen enrichment), during oxygen enrichment, argon enrichment occurs simultaneously and the oxygen concentration has a limiting value of about 95% vol.

Наиболее близкой по конструктивному исполнению и принятой за прототип является установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из блока подачи сжатого воздуха, включающего воздушный компрессор и устройство осушки воздуха, и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки к ресиверу, трубопровод питания и два параллельных входных трубопровода, соединяющих входные патрубки адсорберов между собой, с блоком подачи сжатого воздуха и со сбросным трубопроводом, четыре входных клапана управления газовыми потоками с блоком управления клапанами для переключения потока из блока подачи сжатого воздуха между адсорберами и для сброса воздуха из адсорберов через сбросной трубопровод, два параллельных выходных трубопровода, соединяющих выходные патрубки адсорберов, первый выходной трубопровод соединен со входом в ресивер и на нем установлены два обратных клапана для переключения газовых потоков между адсорберами и ресивером (Патент РФ №2140806, Кл. B01D 53/04, Заявка 98122564/12, 08.12.1998).The closest in design and adopted for the prototype is the installation for producing oxygen from atmospheric air, consisting of a compressed air supply unit including an air compressor and an air dryer, and an adsorption unit containing a receiver, two adsorbers filled with sorbent, the inlet pipes of which are connected to compressed air supply system, and the outlet pipes to the receiver, the power supply pipe and two parallel inlet pipes connecting the inlet pipes of the adsorbers between oh, with a compressed air supply unit and with an exhaust pipe, four inlet gas flow control valves with a valve control unit for switching the flow from the compressed air supply unit between the adsorbers and for venting air from the adsorbers through the exhaust pipe, two parallel outlet pipelines connecting the outlet pipes adsorbers, the first outlet pipe is connected to the input to the receiver and two check valves are installed on it to switch gas flows between the adsorbers and the receiver (RF Patent No. 2140806, Cl. B01D 53/04, Application 98122564/12, 08/08/1998).

Основную задачу, которую решает это установка является повышение эффективности КЦА установок за счет частичной компенсации неравенства рабочих характеристик адсорберов. Для этого в установке используется также еще один выходной трубопровод, соединяющий выходные патрубки адсорберов. На двух выходных трубопроводах установлены клапаны и сужающие устройства типа расходных шайб (дросселирующие устройства), имеющие в общем случае различные проходные сечения и подбираемые специальным образом с учетом индивидуальных особенностей каждого адсорбера.The main task that this installation solves is to increase the efficiency of CCA installations by partially compensating for the inequality of the adsorbers performance. To do this, the installation also uses another outlet pipe connecting the outlet nozzles of the adsorbers. Two outlet pipelines are equipped with valves and constrictors such as consumable washers (throttling devices), which generally have different flow sections and are selected in a special way taking into account the individual characteristics of each adsorber.

Несмотря на возможность частичной компенсации различий в рабочих характеристиках адсорберов, указанная установка обладает перечисленными выше основными недостатками, присущими КЦА методам обогащения кислорода, а именно, сравнительно малыми производительностью, степенью извлечения и невозможностью обогащения кислорода выше предельной величины в 95%.Despite the possibility of partial compensation for differences in the operating characteristics of adsorbers, this installation has the above-mentioned main disadvantages inherent in CCA oxygen enrichment methods, namely, relatively low productivity, degree of extraction and the impossibility of oxygen enrichment above a limit value of 95%.

Задачей предлагаемой установки является модернизация КЦА устройств для производства кислорода.The objective of the proposed installation is the modernization of CCA devices for oxygen production.

Техническим результатом предложенной установки является повышение производительности, степени извлечения и обеспечение возможности повышения концентраций кислорода в производимых продуктах. Например, при заданной чистоте продукта может быть увеличен поток отбора потребителю, а при заданном потоке отбора может быть повышена чистота продукта.The technical result of the proposed installation is to increase productivity, the degree of extraction and providing the possibility of increasing oxygen concentrations in manufactured products. For example, for a given purity of the product, the selection flow to the consumer can be increased, and for a given selection flow, the purity of the product can be increased.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из блока подачи сжатого воздуха, адсорбционного блока, содержащего два параллельных адсорбера, ресивер, соединительные входные и выходные трубопроводы, сбросной трубопровод, клапаны управления газовыми потоками с блоком управления клапанами, которые служат для переключения потоков атмосферного сжатого воздуха между адсорберами и газовых потоков между адсорберами и ресивером, содержит соединенный с ресивером газовой коммуникацией мембранный газоразделительный модуль, выполненный в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого и низкого давления. Мембранный модуль может быть выполнен в виде любого модуля, содержащего, соединенные единой коммуникацией дисковые мембранные элементы, в виде рулонного модуля, в виде модуля, содержащего половолоконные мембранные элементы, в виде модуля, содержащего в едином корпусе несколько мембранных газоразделительных устройств, или в виде любого другого типа мембранного газоразделительного устройства. Выход из объема низкого давления мембранного модуля соединен с потребителем, а выход из объема высокого давления через расходное дросселирующее устройство соединен с выходным трубопроводом установки, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками, которые служат для переключения газового потока между газоразделительным модулем и адсорберами.The indicated task and technical result are achieved in that the installation for producing oxygen from atmospheric air, consisting of a compressed air supply unit, an adsorption unit containing two parallel adsorbers, a receiver, connecting inlet and outlet pipelines, a waste pipeline, gas flow control valves with a control unit valves that serve to switch the flow of atmospheric compressed air between the adsorbers and gas flows between the adsorbers and the receiver, contains connected to the receiver erom gas communication membrane gas separation unit configured as a selective membrane separated two process amounts of high and low pressure. The membrane module can be made in the form of any module containing disk membrane elements connected by a single communication, in the form of a roll module, in the form of a module containing hollow fiber membrane elements, in the form of a module containing several membrane gas separation devices in a single housing, or in the form of any another type of membrane gas separation device. The outlet from the low pressure volume of the membrane module is connected to the consumer, and the exit from the high pressure volume through the flow throttling device is connected to the outlet pipe of the installation, on which two outlet gas flow control valves are installed, which serve to switch the gas flow between the gas separation module and the adsorbers.

Вариантом выполнения установки является вариант, при котором выходные клапаны соединены с блоком управления, который осуществляет переключение выходных клапанов синхронно с входными клапанами. Другим вариантом является вариант, в котором в качестве выходных клапанов используются обратные клапаны и их переключение происходит автоматически без использования блока управления. Третьим вариантом является вариант, при котором на сбросном трубопроводе установлено расходное дросселирующее устройство.An embodiment of the installation is an option in which the output valves are connected to a control unit that switches the output valves synchronously with the inlet valves. Another option is one in which check valves are used as outlet valves and they are switched automatically without using a control unit. The third option is the option in which a discharge throttling device is installed on the discharge pipe.

Основным отличием заявленной установки от прототипа и других известных установок является то, что в ней используется мембранный газоразделительный модуль, в который из ресивера подается обогащенная кислородом в адсорбционном блоке смесь. При этом имеет место дополнительное обогащение продукта кислородом и его обеднение азотом и аргоном. Отличие также состоит в том, что для продувки (регенерации) десорбера (одного из адсорберов, который в данный период времени находящегося под пониженном давлении и продувкой и проходящим стадию регенерации) используется газовая смесь не из работающего при высоком давлении адсорбера, а смесь, выходящая из мембранного газоразделительного модуля. Эффект повышения производительности установки и степени извлечения кислорода достигается за счет того, что в мембранном модуле производится дополнительная работа разделения газовой смеси, причем без дополнительных энергетических затрат, поскольку в мембранный модуль поступает заранее сжатая компрессором газовая смесь, прошедшая через один из адсорберов и накопленная в ресивере. Движущей силой разделения в мембранном модуле является только разность давлений между различными сторонами мембраны. Кроме того, газоразделение в мембранном модуле протекает более стабильно, чем в адсорберах, в которых постоянно имеют место нестационарные процессы по давлению и газовым потокам. Для этого мембранный модуль питается из ресивера, который сглаживает пульсации. Кроме всего прочего, использование мембранного модуля позволяет решить принципиальную задачу снижения в продукте концентрации аргона, чего нельзя достигнуть в адсорбционных колоннах, что является очень важным при необходимости производства кислорода высокого обогащения.The main difference between the claimed installation and the prototype and other known installations is that it uses a membrane gas separation module into which a mixture enriched with oxygen in the adsorption unit is supplied from the receiver. In this case, there is an additional enrichment of the product with oxygen and its depletion in nitrogen and argon. The difference also lies in the fact that for the purge (regeneration) of the stripper (one of the adsorbers, which for a given period of time is under reduced pressure and the purge and goes through the regeneration stage), the gas mixture is not from the adsorber operating at high pressure, but the mixture leaving membrane gas separation module. The effect of increasing the productivity of the installation and the degree of oxygen extraction is achieved due to the fact that the membrane module performs additional work of separating the gas mixture, and without additional energy costs, since the gas mixture pre-compressed by the compressor passes through one of the adsorbers and accumulated in the receiver into the membrane module . The driving force of separation in the membrane module is only the pressure difference between the different sides of the membrane. In addition, gas separation in the membrane module proceeds more stably than in adsorbers in which unsteady processes of pressure and gas flows constantly take place. For this, the membrane module is powered from the receiver, which smooths out the ripple. Among other things, the use of a membrane module allows us to solve the fundamental problem of reducing the concentration of argon in the product, which cannot be achieved in adsorption columns, which is very important if high-enrichment oxygen is required.

На Рисунке изображена принципиальная схема установки для получения кислорода из атмосферного воздуха.The figure shows a schematic diagram of an installation for producing oxygen from atmospheric air.

Установка включает в себя воздушный компрессор 1, устройство осушки воздуха 2, два заполненных адсорбентом адсорбера 3 и 4, ресивер 5 и мембранный газоразделительный модуль 6. Адсорберы снабжены входными патрубками 7, 8 и выходными патрубками 9 и 10. Входные патрубки соединены с компрессором трубопроводом питания 11 и двумя параллельными входными трубопроводами 12 и 13, последний из которых соединен со сбросным трубопроводом 14. На входных трубопроводах установлены клапаны управления газовыми потоками 15-18, которые соединены с блоком их управления 19 для переключения потока из компрессора между адсорберами и для сброса воздуха из адсорберов через сбросной трубопровод. Выходные клапаны 9, 10 соединены между собой двумя параллельными выходными трубопроводами 20 и 21. Первый из выходных трубопроводов 20 снабжен обратными клапанами 22, 23 и соединен с входом в ресивер, перед которым также установлен обратный клапан 24. Выход ресивера соединен газовой коммуникацией 25 с входом мембранного газоразделительного модуля 6, выполненного в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого 26 и низкого 27 давления. Выход 28 из объема низкого давления соединен с потребителем, а выход 29 из объема высокого давления через расходное устройство 30 соединен со вторым выходным трубопроводом 21, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками 31 и 32 для переключения газового потока, выходящего из газоразделительного модуля 6, между адсорберами 3 и 4. Расходное устройство 30 может быть выполнено либо в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Предпочтительным может оказаться устройство типа регулируемого газового дросселя, положение которого может изменяться и фиксироваться в процессе пуско-наладки или перенастройки установки.The installation includes an air compressor 1, an air dryer 2, two adsorbers 3 and 4 filled with adsorbent, a receiver 5 and a membrane gas separation module 6. The adsorbers are equipped with inlet pipes 7, 8 and outlet pipes 9 and 10. The inlet pipes are connected to the compressor by a power supply pipe 11 and two parallel inlet pipelines 12 and 13, the last of which is connected to the discharge pipe 14. At the inlet pipelines, gas flow control valves 15-18 are installed, which are connected to their control unit 19 for switching the flow from the compressor between the adsorbers and for venting air from the adsorbers through the exhaust pipe. The output valves 9, 10 are interconnected by two parallel output pipelines 20 and 21. The first of the output pipelines 20 is equipped with check valves 22, 23 and is connected to the inlet of the receiver, in front of which there is also a check valve 24. The output of the receiver is connected by gas communication 25 to the input membrane gas separation module 6, made in the form of two technological volumes separated by a selective membrane of high 26 and low 27 pressure. The outlet 28 from the low pressure volume is connected to the consumer, and the outlet 29 from the high pressure volume is connected through a flow device 30 to a second outlet pipe 21, on which two outlet valves for controlling gas flows 31 and 32 are installed to switch the gas stream leaving the gas separation module 6 between adsorbers 3 and 4. The consumable device 30 can be made either in the form of consumable washers, adjustable gas chokes, or in the form of any other devices that allow you to install the necessary gas od and release pressure. A device such as an adjustable gas choke may be preferable, the position of which can be changed and fixed during commissioning or reconfiguration of the installation.

В том случае, когда выходные клапаны 31 и 32 являются управляемыми, они соединены управляющей связью с блоком управления 19, который осуществляет переключение выходных клапанов синхронно с входными клапанами. Клапаны 31 и 32 могут быть выполнены в виде обратных клапанов. В этом случае их открытие и закрытие будет происходить автоматически в зависимости от величин давления. Управляемые клапаны являются более быстрыми и более предпочтительны при малых величинах циклов переключения адсорберов на сорбцию и десорбцию (например, на уровне меньше секунды). В остальных случаях более предпочтительны обратные клапаны, которые повышают надежность системы за счет сокращения управляющих связей и исполнительных механизмов. На сбросном трубопроводе установки 14 может быть установлено дополнительное расходное устройство 33, с помощью которого возможно регулирование газодинамических процессов и процессов десорбции азота в соответствующем подключенном адсорбере. Расходное устройство 33 может быть выполнено либо в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Предпочтительным может оказаться устройство типа регулируемого газового дросселя, положение которого может изменяться и фиксироваться в процессе пуско-наладки или перенастройки установки.In the case where the output valves 31 and 32 are controllable, they are connected by control communication with the control unit 19, which switches the output valves in synchronization with the inlet valves. Valves 31 and 32 can be made in the form of check valves. In this case, their opening and closing will occur automatically depending on the pressure values. Controlled valves are faster and more preferable for small cycles of adsorbers switching to sorption and desorption (for example, at less than a second). In other cases, check valves are more preferred, which increase the reliability of the system by reducing the control connections and actuators. An additional consumable device 33 can be installed on the discharge pipe of the installation 14, with which it is possible to regulate gas-dynamic processes and nitrogen desorption processes in the corresponding connected adsorber. The consumable device 33 can be made either in the form of consumable washers, adjustable gas chokes, or in the form of any other devices that allow you to set the required gas flow and relieve pressure. A device such as an adjustable gas choke may be preferable, the position of which can be changed and fixed during commissioning or reconfiguration of the installation.

Установки для получения кислорода из атмосферного воздуха, работает следующим образом.Installations for the production of oxygen from atmospheric air, works as follows.

Воздушный компрессор 1 засасывает атмосферный воздух, сжимает его и подает на вход устройства осушки 2, в котором происходит отделение влаги и масла. Требования к устройству осушки не являются жесткими. Главным является то, что устройство должно снизить объемную концентрацию паров воды до долей процента (не повлиять существенно на сорбционную емкость сорбентов), что реализуется достаточно просто фреонными осушителями с точкой росы на уровне нескольких °С выше нуля. Далее осушенный сжатый воздух поступает на вход адсорбционного блока. Блок управления 19 адсорбционного блока управляет клапанами 15-18 таким образом, что каждый из адсорберов 3, 4 попеременно проходит цикл сорбции-десорбции (регенерации), причем в момент, когда один из них находится в стадии сорбции, другой регенерируется. Одновременно открытыми или закрытыми могут быть пары клапанов 15-17 и 16-18. Например, если пара клапанов 15-17 открыта, то пара клапанов 16-18 закрыта и при этом в адсорбер 4 поступает сжатый воздух и в нем происходит сорбция азота и обогащение потока кислородом, а адсорбер 3 соединен с сбросным трубопроводом 14, давление в нем опускается до атмосферного и проходит процесс десорбции азота (регенерация адсорбента). При обратном переключении пар клапанов адсорберы 3 и 4 меняются местами по функциональному назначению. Процесс десорбции реализуется за счет сброса давления в соответствующем десорбере и, главным образом, за счет его продувки воздухом, обогащенным кислородом, поступающим из выхода соответствующего действующего адсорбера. Переключение пар клапанов происходит периодически через равные промежутки времени (время полуцикла в короткоцикловом процессе адсорбции). Обратные клапаны 22 и 23 установлены таким образом, что позволяют пропускать газ в ресивер только из адсорбера, находящегося под более высоким давлением. При этом другой адсорбер с низким давлением оказывается отсеченным от ресивера и от адсорбера с высоким давлением. Переключение обратных клапанов происходит автоматически при смене давления в адсорберах (при переключении пар клапанов 15-17 и 16-18, осуществляемого с помощью блока управления 19). Обратный клапан 24, установленный на входе в ресивер, позволяет предотвратить обратный поток газа из ресивера в адсорберы. В результате в ресивер 5 поступает поток воздуха, обогащенного кислородом, попеременно то из адсорбера 3, то из адсорбера 4. Основным назначением ресивера 5 является обеспечение относительно стабильного по давлению источника сжатого и обогащенного кислородом воздуха для его подачи в мембранный газоразделительный модуль 6. Воздух из ресивера поступает в объем 26 высокого давления мембранного модуля, который отделен от объема 27 низкого давления полупроницаемой селективной мембраной. Мембрана более проницаема для молекул кислорода и менее проницаема для молекул аргона и азота. В результате происходит дополнительное обогащение кислородом проникшего через мембрану воздуха, который из объема низкого давления отводится потребителю через выход 28. Непроникший через мембрану поток воздуха из объема высокого давления через выход 29, расходное устройство 30 и через трубопровод подается на адсорбер, который в течение данного полуцикла находится в стадии регенерации. Например, если в течение полуцикла открыта пара клапанов 15-17, то таким адсорбером должен быть адсорбер 3. Это достигается тем, что на трубопроводе 21 установлены два клапана управления газовыми потоками 31 и 32. В рассматриваемом примере открытым должен быть клапан 31, а в следующем полуцикле - клапан 32.The air compressor 1 draws in atmospheric air, compresses it and supplies it to the inlet of the drying device 2, in which moisture and oil are separated. Drying requirements are not stringent. The main thing is that the device should reduce the volume concentration of water vapor to fractions of a percent (not significantly affect the sorption capacity of the sorbents), which is realized quite simply by freon dehumidifiers with a dew point of several ° C above zero. Next, dried compressed air enters the inlet of the adsorption unit. The control unit 19 of the adsorption unit controls the valves 15-18 so that each of the adsorbers 3, 4 alternately goes through a sorption-desorption (regeneration) cycle, and at the moment when one of them is in the sorption stage, the other is regenerated. At the same time, pairs of valves 15-17 and 16-18 can be open or closed. For example, if a pair of valves 15-17 is open, then a pair of valves 16-18 is closed and compressed air enters adsorber 4 and nitrogen is sorbed and oxygen is enriched in it, and adsorber 3 is connected to discharge pipe 14, the pressure in it drops to atmospheric and undergoes a process of nitrogen desorption (adsorbent regeneration). When the valve pairs are switched back, the adsorbers 3 and 4 are interchanged according to their functional purpose. The desorption process is implemented by depressurizing the corresponding stripper and, mainly, by blowing it with oxygen enriched air coming from the outlet of the corresponding active adsorber. Switching of valve pairs occurs periodically at regular intervals (half-cycle time in a short-cycle adsorption process). Check valves 22 and 23 are installed in such a way that they allow gas to pass into the receiver only from the adsorber, which is under a higher pressure. In this case, the other low-pressure adsorber is cut off from the receiver and from the high-pressure adsorber. Switching of check valves occurs automatically when the pressure in the adsorbers changes (when switching pairs of valves 15-17 and 16-18, carried out using the control unit 19). The non-return valve 24, installed at the inlet to the receiver, prevents the backflow of gas from the receiver into the adsorbers. As a result, a stream of air enriched with oxygen enters the receiver 5, alternately either from the adsorber 3 or from the adsorber 4. The main purpose of the receiver 5 is to provide a relatively pressure-stable source of compressed and oxygen-enriched air for supplying it to the membrane gas separation module 6. Air from the receiver enters the high pressure volume 26 of the membrane module, which is separated from the low pressure volume 27 by a semipermeable selective membrane. The membrane is more permeable to oxygen molecules and less permeable to argon and nitrogen molecules. As a result, there is additional oxygen enrichment of the air that has penetrated through the membrane, which is discharged from the low-pressure volume to the consumer through outlet 28. The air stream that has not penetrated through the membrane from the high-pressure volume through outlet 29, the supply device 30, and through the pipeline is fed to the adsorber, which during this half cycle is in the regeneration stage. For example, if a pair of valves 15-17 is open during the half-cycle, then the adsorber 3 should be such an adsorber. This is achieved by the fact that two gas flow control valves 31 and 32 are installed on the pipe 21. In the considered example, the valve 31 should be open, and in the next half-cycle is valve 32.

Управление клапанами может производиться общим блоком управления 19. При этом синхронно и с высокой точность должно проводиться попеременное открытие и закрытие троек клапанов 15-17-31 и 16-18-32.Valves can be controlled by a common control unit 19. At the same time, alternately opening and closing the triples of valves 15-17-31 and 16-18-32 should be carried out synchronously and with high accuracy.

В качестве клапанов 31 и 32 могут быть использованы обратные клапаны, что позволяет значительно упростить систему управления установкой.As valves 31 and 32 can be used check valves, which can greatly simplify the control system of the installation.

Расходное устройство 30 является одним из основных управляющих элементов установки. Во-первых, оно задает уровень высокого давления в адсорберах и в мембранном модуле, и, во-вторых, оно параллельно определяет величины газовых потоков в установке. Это связано с тем, что, как указано ранее, расходные характеристики (давление-расход) компрессора и характеристики расходных устройств (в частности, дросселей) противоположны. В рабочем приближении можно считать, что пропускная способность компрессора обратно пропорциональна, а пропускная способность расходных элементов прямо пропорциональна перепаду давления. В зависимости от типа используемых устройств пропорциональность может быть линейной и нелинейной.Consumable device 30 is one of the main control elements of the installation. Firstly, it sets the high pressure level in the adsorbers and in the membrane module, and secondly, it simultaneously determines the values of gas flows in the installation. This is due to the fact that, as indicated earlier, the flow characteristics (pressure-flow) of the compressor and the characteristics of the flow devices (in particular chokes) are opposite. In the working approximation, we can assume that the compressor capacity is inversely proportional, and the capacity of the consumable elements is directly proportional to the pressure drop. Depending on the type of devices used, proportionality can be linear and non-linear.

Кроме этого одним из факторов, определяющих характеристики установки является площадь и селективные свойства мембраны газоразделительного модуля 6. Пропускная способность (проницаемость) мембраны в мембранном модуле прямо пропорциональна рабочему давлению и площади мембраны.In addition, one of the factors determining the characteristics of the installation is the area and selective properties of the membrane of the gas separation module 6. The throughput (permeability) of the membrane in the membrane module is directly proportional to the operating pressure and the area of the membrane.

При эксплуатации установки в адсорберах 3 и 4 попеременно происходит обогащение воздуха кислородом за счет преимущественной сорбции азота. Адсорберы попеременно проходят стадии сорбции и регенерации. Обогащенный кислородом воздух из активного адсорбера поступает в ресивер 5 высокого давления, откуда он поступает в мембранный газоразделительный модуль 6, где происходит его дополнительное обогащение кислородом, обеднение азотом и аргоном и подача потребителю. Непроникший через мембрану газ дросселируется устройством 30 (снижается его давление) и подается в колонну, находящуюся в данный момент времени в стадии десорбции (регенерации). Далее все меняется местами и многократно повторяется в циклах, имеющих одинаковую продолжительность периодов.During operation of the installation in adsorbers 3 and 4, air is enriched with oxygen alternately due to the predominant adsorption of nitrogen. The adsorbers alternately go through the stages of sorption and regeneration. The oxygen-enriched air from the active adsorber enters the high-pressure receiver 5, from where it enters the membrane gas separation module 6, where it is additionally enriched with oxygen, depleted in nitrogen and argon, and supplied to the consumer. Non-penetrated gas through the membrane is throttled by the device 30 (its pressure decreases) and is supplied to the column, which is currently in the desorption (regeneration) stage. Further, everything changes places and is repeated many times in cycles having the same duration of periods.

Одним из вариантов реализации устройства является устройство, в котором на сбросном трубопроводе установлено расходное устройство 33, например, в виде расходных шайб, регулируемых газовых дросселей, либо в виде любых других устройств, позволяющих устанавливать необходимый газовый расход и сбрасывать давление. Использование регулирования скорости истечения и скорости уменьшения давления выходящего из десорбера потока воздуха позволяет подобрать оптимальный режим десорбции, максимально согласованный с протекающими в десорбере переходными процессами.One embodiment of the device is a device in which a consumable device 33 is installed on the discharge pipe, for example, in the form of consumable washers, adjustable gas chokes, or in the form of any other devices that allow you to set the required gas flow and relieve pressure. Using the regulation of the outflow rate and the rate of decrease in pressure of the air stream leaving the stripper allows you to choose the optimal desorption mode, which is most consistent with the transient processes in the stripper.

Использование КЦА установки с дополнительным мембранным газоразделительным модулем позволяет повысить степень извлечения кислорода и производительность процесса при равных энергозатратах более, чем в 1,5 раза. Концентрация кислорода может превысить предельные 95% и достигать величин более 99%. Для этого в мембранном газоразделительном модуле необходимо использовать мембраны с высокой селективностью для пары компонентов O₂-Аr, например, мембраны, изготовленные на основании полимерного соединения типа поли(1-триметилсилил-1-пропин), поливинилтриметилсилана и др.The use of a CCA unit with an additional membrane gas separation module makes it possible to increase the degree of oxygen extraction and process productivity with equal energy consumption by more than 1.5 times. The oxygen concentration can exceed the limit of 95% and reach values of more than 99%. For this, in the membrane gas separation module, it is necessary to use membranes with high selectivity for a pair of O ₂ -Ar components, for example, membranes made on the basis of a polymeric compound such as poly (1-trimethylsilyl-1-propine), polyvinyltrimethylsilane, etc.

Claims

1. Installation for producing oxygen from atmospheric air, consisting of a compressed air supply unit, including an air compressor and an air dryer, an adsorption unit containing a receiver for receiving oxygen-enriched air, two adsorbers filled with a sorbent, the inlet pipes of which are connected to a compressed air supply system and the outlet pipes to the receiver, the power supply pipe and two parallel inlet pipes connecting the inlet pipes of the adsorbers to each other, with a compressed air supply unit and with an exhaust pipe, four inlet gas flow control valves with a valve control unit for switching the flow from the compressed air supply unit between the adsorbers and for venting air from the adsorbers through the exhaust pipe, two parallel outlet pipes connecting the outlet pipes of the adsorbers, the first outlet pipe connected to the entrance to the receiver and is equipped with two check valves for switching gas flows between the adsorbers and the receiver, characterized in that it is equipped with connected gas communication with the outlet from the receiver by a membrane gas separation module made in the form of two technological volumes of high and low pressures separated by a selective membrane, the outlet from the low pressure volume of which is connected to the consumer, and the outlet from the high pressure volume through the flow device is connected to the second outlet pipe, on which two gas flow control valves are installed to switch the gas flow between the gas separation module and the adsorbers, and in front of m receiver check valve.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the outlet valves for controlling gas flows are connected to the control unit.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the outlet valves for controlling gas flows are made in the form of check valves.

4. Installation according to claim 1, 2 and 3, characterized in that an additional consumable device is installed on the discharge pipe.