RU139877U1

RU139877U1 - EJECTOR MEMBRANE-SORPTION DEVICE FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES

Info

Publication number: RU139877U1
Application number: RU2013143693/05U
Authority: RU
Inventors: Антон Николаевич Кудинов; Николай Иванович Лагунцов; Иван Михайлович Курчатов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Аквасервис"
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-04-27

Abstract

1. Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, содержащее, по меньшей мере, два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, компрессор, выходной патрубок которого соединен с адсорберами через регулируемые клапаны и с входом в эжекционный смеситель, выход которого подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов, а выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на сбросном трубопроводе установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером.1. An ejector membrane-sorption device for separating gas mixtures, containing at least two adsorbers filled with a solid adsorbent, a compressor, the outlet pipe of which is connected to the adsorbers through adjustable valves and with an inlet to the ejector mixer, the outlet of which is connected through the first distribution valve to the inlet nozzles of the adsorbers, and the outputs of the adsorbers are equipped with control valves for venting gas from the adsorbers to the waste pipe and are connected through the second distribution valve to the membranes filter, one of the branch pipes of the outlet which is connected to the consumer, and the second to the ejection mixer. 2. The device according to claim 1, characterized in that an additional ejection mixer with a receiver is installed on the discharge pipe.

Description

Полезная модель относится к мембранно-адсорбционным устройствам с использованием газового эжектора для разделения газовых смесей и может быть использована для получения обогащенных компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях, в частности при производстве кислорода из атмосферного воздуха в различных областях.The utility model relates to membrane adsorption devices using a gas ejector to separate gas mixtures and can be used to obtain enriched components in binary and multicomponent gas mixtures, in particular in the production of oxygen from atmospheric air in various fields.

Разделение газовых смесей производится различными физико-химическими методами, включая мембранные и адсорбционные. Адсорбционный метод разделения воздуха опирается на принцип селективного поглощения компонентов газовой смеси. Поглощение осуществляется специальными молекулярными ситами в условиях короткоцикловой адсорбции. В основе процесса лежит зависимость поглощения газа адсорбентом от давления: способность адсорбента к поглощению газа прямо пропорциональна давлению. Таким образом, адсорбция идет при повышенном давлении, а процесс десорбции осуществляется путем сброса давления. Обычно циклы сорбции и десорбции определенных газовых компонентов (например, при обогащении кислорода из воздуха - сорбция азота) чередуются, по меньшей мере, в двух параллельных адсорбционных колоннах на слоях адсорбентов.Gas mixtures are separated by various physicochemical methods, including membrane and adsorption ones. The adsorption method of air separation is based on the principle of selective absorption of the components of the gas mixture. Absorption is carried out by special molecular sieves under conditions of short-cycle adsorption. The process is based on the dependence of gas absorption by an adsorbent on pressure: the ability of an adsorbent to absorb gas is directly proportional to pressure. Thus, adsorption occurs at elevated pressure, and the desorption process is carried out by depressurization. Typically, the sorption and desorption cycles of certain gas components (for example, in the enrichment of oxygen from air - nitrogen sorption) alternate in at least two parallel adsorption columns on adsorbent beds.

Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе избирательной проницаемости мембран. Принцип действия мембранных газоразделительных установок заключается в различной скорости проникания газов через полимерную мембрану под действием перепада давления на мембране.The membrane air separation method is based on the principle of selective membrane permeability. The principle of operation of membrane gas separation units consists in different rates of gas penetration through the polymer membrane under the action of a pressure drop across the membrane.

В последнее время находят применение комбинированные установки, в которых используются и адсорбционные колонны, и мембранные блоки, что обеспечивает повышение энергоэффективности при заданных значениях обогащения конечного продукта газовой смеси. Так, из уровня техники известна адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте ЕПВ №266884. Известная установка содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и дополнительный мембранный блок, в который подают поток газа, образующийся на стадиях сброса давления и продувки адсорберов. Несмотря на все преимущества установок такого типа, они обладают существенным недостатком - необходимо использовать компрессор на каждой ступени разделения, что априори делает процесс экономически не выгодным.Recently, combined installations have been used in which adsorption columns and membrane blocks are used, which provides increased energy efficiency at specified enrichment values of the final product of the gas mixture. Thus, the prior art adsorption-membrane installation described in patent EPO No. 266884. The known installation comprises a compressor for supplying the initial gas mixture (air), two parallel adsorption columns filled with a solid adsorbent, a membrane unit installed at the outlet of the adsorption columns, and an additional membrane unit into which a gas stream is formed, which is formed at the stages of pressure relief and purge adsorbers. Despite all the advantages of plants of this type, they have a significant drawback - it is necessary to use a compressor at each stage of separation, which a priori makes the process economically unprofitable.

Существуют установки и с одним компрессором. Так, из уровня техники известна мембранно-адсорбционная установка, описанная в патенте RU 95547. Установка, состоящая из комбинации мембранного и адсорбционного разделительных блоков, отличается тем, что она оснащена дополнительным мембранным блоком, установленным на первой степени разделения, вход которого соединен с патрубком отвода продукта разделения сорбционного блока. В установках такого типа рециркуляционный поток сжимается вместе с потоком питания, что также приводит к увеличению энергетических затрат.There are installations with one compressor. Thus, a membrane adsorption unit described in RU 95547 is known from the prior art. The installation, consisting of a combination of membrane and adsorption separation blocks, is characterized in that it is equipped with an additional membrane block installed in the first degree of separation, the input of which is connected to the branch pipe separation product of the sorption block. In plants of this type, the recycle stream is compressed along with the power stream, which also leads to an increase in energy costs.

Из уровня техники известна также адсорбционно-мембранная установка, описанная в патенте РФ №4223461 и являющаяся наиболее близким аналогом заявленной полезной модели. Известная установка также содержит компрессор для подачи исходной газовой смеси (воздуха), две параллельно расположенные адсорбционные колонны, заполненные твердым адсорбентом, и мембранный блок, установленный на выходе из адсорбционных колонн и обеспечивающий дополнительное обогащение конечного продукта. В этой установке также используется только один компрессор. Отличительной особенностью предложенной схемы является то, что остаточным потоком осуществляют продувку адсорбера, находящейся при пониженном давлении, что является малоэффективным способом повышения степени извлечения конечного продукта.The prior art also known adsorption-membrane installation described in the patent of Russian Federation No. 4223461 and which is the closest analogue of the claimed utility model. The known installation also contains a compressor for supplying the initial gas mixture (air), two parallel adsorption columns filled with a solid adsorbent, and a membrane unit installed at the outlet of the adsorption columns and providing additional enrichment of the final product. This unit also uses only one compressor. A distinctive feature of the proposed scheme is that the residual stream purges the adsorber under reduced pressure, which is an ineffective way to increase the degree of extraction of the final product.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении степени извлечения конечного продукта в мембранно-сорбционном устройстве при заданной величине обогащения.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to increase the degree of extraction of the final product in the membrane-sorption device at a given amount of enrichment.

Поскольку степень извлечения конечного продукта определяется как отношение количества продукта к исходному потоку питания устройства, критерием повышения степени извлечения при заданной величине обогащения продукта является так называемый относительный отбор, являющийся отношением потока продукта к потоку на входе в компрессор.Since the degree of extraction of the final product is defined as the ratio of the amount of product to the initial feed stream of the device, the criterion for increasing the degree of extraction at a given amount of product enrichment is the so-called relative selection, which is the ratio of the product stream to the stream at the compressor inlet.

Указанный технический результат достигается тем, что эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей, содержащее компрессор, по меньшей мере два адсорбера, заполненных адсорбентом, имеющие входные патрубки, которые через первый клапан для переключения потока газа между адсорберами подключены к выходу эжекционного смесителя, который подключен к выходу компрессора, и выходные патрубки адсорберов, которые снабжены клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, патрубок которого для отвода проникшей через мембрану фракции разделяемой газовой смеси из полости низкого давления соединен с потребителем, а патрубок для отвода непроникшей через мембрану фракции газовой смеси из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем, Устройство обладает повышенной степенью извлечения продукта за счет использования эжекторного смешения рециркуляционного потока и потока питания на выходе компрессора, в результате которого меняется состав смеси на входах в адсорберы при малом изменении давления на выходе эжектора. В некоторых режимах дополнительное повышение степени извлечения достигается за счет того, что выходной патрубок компрессора соединен с ваходными патрубками адсорберов через регулируемые клапаны.The specified technical result is achieved in that the ejector membrane-sorption device for separating gas mixtures, containing a compressor, at least two adsorbers filled with adsorbent, having inlet nozzles that are connected through the first valve for switching the gas flow between the adsorbers to the outlet of the ejector mixer, which connected to the outlet of the compressor, and the outlet nozzles of the adsorbers, which are equipped with valves for venting gas from the adsorbers to the waste pipe and are connected through a second distribution an aspiration valve to the membrane filter, the nozzle of which is used to connect a consumer to the ejection mixer, which is not connected to the fraction of the gas mixture that has penetrated through the membrane and is connected to an ejection mixer. The device has a high degree of product recovery due to the use of ejector mixing of the recirculation stream and the power stream at the compressor output, as a result of which the mixture composition at the input changes ax in adsorber with a small change in pressure at the outlet of the ejector. In some modes, an additional increase in the degree of extraction is achieved due to the fact that the compressor outlet pipe is connected to the inlet pipes of the adsorbers via adjustable valves.

На сбросном трубопроводе может быть установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером, позволяющий увеличить энергоэффективность за счет снижения давления десорбции.An additional ejection mixer with a receiver can be installed on the discharge pipe, which allows increasing energy efficiency by reducing the desorption pressure.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема эжекторного мембранно-сорбционного устройства.The utility model is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of an ejector membrane-sorption device.

Устройство включает в себя компрессор 1, параллельно расположенные адсорберы 3 и 4 заполненные твердым адсорбентом, например, гранулированным цеолитом (или углеродным молекулярным ситом). Входы адсорберов 3 и 4 подключены к эжекционному смесителю 2, который в свою очередь подключен к компрессору 1, через трехходовой распределительный клапан 9 для переключения потока сжатого газа из компрессора между адсорберами и снабжены управляющими клапанами 10, 11 для отвода газа, характеризующегося большей величиной адсорбции, из адсорберов 3 и 4 в сбросной трубопровод, снабженный дополнительным эжекционным смесителем 7 с ресивером 5. Выходы адсорберов 3 и 4 подключены к мембранному фильтру 6 через трехходовой распределительный клапан 14. Выход с компрессора 1 соединен со входами в адсорберы 3 и 4 через регулирующие клапаны 12 и 13. Мембранный фильтр 6 имеет полости высокого и низкого давления, разделенные селективным мембранным элементом, и обеспечивает как повышение концентрации целевого компонента, так и очистку газового потока от органических загрязнителей и твердых частиц, в том числе наночастиц сорбента. Патрубок отвода из полости низкого давления мембранного фильтра 6 соединен с потребителем, а патрубок отвода из полости высокого давления соединен с эжекционным смесителем 2.The device includes a compressor 1, parallel adsorbers 3 and 4 filled with a solid adsorbent, for example, granular zeolite (or carbon molecular sieve). The inputs of the adsorbers 3 and 4 are connected to the ejection mixer 2, which in turn is connected to the compressor 1, through a three-way distribution valve 9 for switching the flow of compressed gas from the compressor between the adsorbers and equipped with control valves 10, 11 for venting a gas characterized by a higher adsorption value, from adsorbers 3 and 4 to a discharge pipe equipped with an additional ejector mixer 7 with receiver 5. The outputs of adsorbers 3 and 4 are connected to the membrane filter 6 through a three-way control valve 14. You the passage from the compressor 1 is connected to the inlets of the adsorbers 3 and 4 through the control valves 12 and 13. The membrane filter 6 has high and low pressure cavities separated by a selective membrane element and provides both an increase in the concentration of the target component and the purification of the gas stream from organic pollutants and solid particles, including sorbent nanoparticles. The outlet pipe from the low-pressure cavity of the membrane filter 6 is connected to the consumer, and the outlet pipe from the high-pressure cavity is connected to the ejection mixer 2.

Устройство также снабжено клапанами 8, 15, 16, 17, 18 обеспечивающими переключение направления течения потока газовой смеси.The device is also equipped with valves 8, 15, 16, 17, 18 for switching the direction of flow of the gas mixture.

Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей работает следующим образом.The ejector membrane-sorption device for separating gas mixtures works as follows.

Предполагается, что процесс разделения в ступени короткоцикловой адсорбции (КЦА) содержит следующие стадии: десорбция за счет сброса давления, заполнение адсорбера потоком с компрессора и/или потоком с выхода эжекционного смесителя, адсорбция и вытеснение продукта потоком с выхода эжекционного смесителя. Поскольку потери давления в ступени КЦА на стадии вытеснения в полости высокого давления мембранной ступени невелики, потери давления в эжекторе за счет корректного выбора его параметров тоже можно сделать достаточно малыми.It is assumed that the separation process in the stage of short-cycle adsorption (CCA) contains the following stages: desorption due to depressurization, filling the adsorber with a stream from the compressor and / or a stream from the exit of the ejector mixer, adsorption and displacement of the product by the stream from the exit of the ejector mixer. Since the pressure loss in the CCA stage at the stage of displacement in the high-pressure cavity of the membrane stage is small, the pressure loss in the ejector due to the correct choice of its parameters can also be made quite small.

Исходная газовая смесь (воздух) сжимается с помощью компрессора 1 и под давлением подается по трубопроводу на эжекционный смеситель 2, где происходит повышение концентрации целевого компонента за счет подмешивания потока из полости высокого давления мембранного фильтра.The source gas mixture (air) is compressed using compressor 1 and pressurized through a pipeline to an ejection mixer 2, where the concentration of the target component is increased by mixing the flow from the high-pressure cavity of the membrane filter.

Сжатый и дополнительно обогащенный целевым компонентом воздуха под давлением 4÷10 атмосфер проходит через периодически переключающийся электромагнитный управляющий клапан 9 и поступает на вход адсорбера 3. При прохождении воздуха через слой адсорбента более сорбируемый компонент с легкостью им поглощается, а менее сорбируемый, обладающий меньшей величиной адсорбции и соответственно поглощаемый с меньшей скоростью, проскакивает в конец слоя и поступает через открытый для него переключающийся электромагнитный управляющий клапан 14 в мембранный фильтр 6, где проникший и дополнительно обогащенный и очищенный от примесей и продуктов истирания сорбентов поток, обогащенный целевым компонентом, поступает к потребителю, а не проникший через мембрану поток выходит через патрубок и подается в эжекционный смеситель 2.Compressed and additionally enriched with the target air component under a pressure of 4 ÷ 10 atmospheres passes through a periodically switching electromagnetic control valve 9 and enters the adsorber inlet 3. When air passes through the adsorbent layer, the more sorbed component is easily absorbed by it, while the less adsorbed component, which has a lower adsorption value and, accordingly, absorbed at a lower speed, it slips to the end of the layer and enters through the switching electromagnetic control valve 14 open for it membrane filter 6, where the stream, enriched and additionally enriched and purified from impurities and products of abrasion of sorbents, enriched with the target component, enters the consumer, and the stream which has not penetrated through the membrane exits through the pipe and is fed into the ejection mixer 2.

В это время в адсорбере 4 происходит сброс давления и десорбция адсорбера через клапан 14 (клапан 10 в это время закрыт).At this time, in the adsorber 4 there is a pressure release and desorption of the adsorber through the valve 14 (valve 10 is closed at this time).

Через время полуцикла адсорберы 3 и 4 обмениваются своими функциями. Распределительный клапан 9 открыт в сторону адсорбера 4, который задерживает более сорбируемый компонент и продуцирует менее сорбируемый целевой компонент. Адсорбер 3 в это время освобождается от накопленного более сорбируемого компонента, клапан 10 открыт (клапан 11 закрыт). Такой цикл повторяется многократно. Таким образом, описанный вариант работы установки обеспечивает на выходе поток, обогащенный целевым компонентом.After a half-cycle, adsorbers 3 and 4 exchange their functions. The control valve 9 is open towards the adsorber 4, which delays the more adsorbed component and produces a less adsorbed target component. The adsorber 3 at this time is freed from the accumulated more adsorbed component, the valve 10 is open (valve 11 is closed). Such a cycle is repeated many times. Thus, the described embodiment of the installation provides an output stream enriched in the target component.

Если на сбросном трубопроводе установлен дополнительный эжекционный смеситель с ресивером, снижение давления десорбции происходит за счет того, что сначала при высоком давлении происходит сброс газа из адсорбера в ресивер, при среднем давлении сброс происходит в окружающую среду, а при низком давлении в конце десорбции, сброс осуществляется через эжектор, в котором в поток газа из ресивера эжектируется сбросной поток из адсорбера. При этом возможно достижение давления в адсорбере заметно ниже атмосферного.If an additional ejector mixer with a receiver is installed on the discharge pipe, the desorption pressure is reduced due to the fact that at first, at high pressure, gas is discharged from the adsorber to the receiver, at medium pressure, it is discharged into the environment, and at low pressure at the end of desorption, is carried out through an ejector, in which a waste stream from the adsorber is ejected into the gas stream from the receiver. In this case, it is possible to achieve a pressure in the adsorber noticeably below atmospheric.

Возможность изменения состава потока питания ступени КЦА за счет смешения в эжекторе дает возможность повысить степень извлечения продукта требуемой чистоты, которая при заданной чистоте конечного продукта определяется величиной относительного отбора.The possibility of changing the composition of the feed stream of the CCA stage due to mixing in the ejector makes it possible to increase the degree of extraction of the product of the required purity, which for a given purity of the final product is determined by the relative selection.

Примеры реализации.Implementation examples.

Пример 1.Example 1

Целью является получение воздуха, обогащенного кислородом до заданной величины концентрации 50% (об.) при заданных параметрах мембранной ступени.The goal is to obtain air enriched with oxygen up to a predetermined concentration of 50% (vol.) At given parameters of the membrane stage.

К заданным параметрам мембранной ступени относятся: значение отношение давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления; значение селективности (отношение проницаемостей компонентов) равное 7.The set parameters of the membrane stage include: the value is the ratio of the pressure in the low cavity to the pressure in the high pressure cavity; the selectivity value (the ratio of the permeability of the components) is equal to 7.

При использовании предложенного устройства обогащенный кислородом продуктовый поток поступает потребителю в количестве 1,64 м³/час при давлении 8 атмосфер и отношении давлений в мембранной ступени равном 1/8. При этом относительный отбор продуктового кислорода составляет 0,31 в случае заполнения потоком с компрессора. Степень извлечения продукта по сравнению с прототипом увеличивается в 1,13 раза.When using the proposed device, the oxygen-rich product stream enters the consumer in an amount of 1.64 m ³ / h at a pressure of 8 atmospheres and a pressure ratio in the membrane stage equal to 1/8. Moreover, the relative selection of product oxygen is 0.31 in the case of filling with a stream from the compressor. The degree of extraction of the product compared with the prototype increases 1.13 times.

При значении отношения давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления равном 6/8 и селективности равной 7 продуктовый поток величиной 1,03 м³/час поступает потребителю при давлении 8 атмосфер. При этом относительный отбор продуктового кислорода составляет 0,24 в случае заполнения потоком с выхода эжекционного смесителя. Данный режим при заполнении абсорберов потоком с компрессора реализовать невозможно.When the ratio of the pressure in the low-pressure cavity to the pressure in the high-pressure cavity is 6/8 and the selectivity is 7, a product flow of 1.03 m ³ / h is supplied to the consumer at a pressure of 8 atmospheres. Moreover, the relative selection of product oxygen is 0.24 in the case of filling with a stream from the outlet of the ejection mixer. This mode when filling the absorbers with a stream from the compressor is impossible to implement.

Пример 2.Example 2

При использовании предложенного устройства по п.2 при снижении давления десорбции до 0,1 атм. можно получать продуктовый поток при повышенной степени извлечения продукта. Так, например, при значении отношения давления в полости низкого к давлению в полости высокого давления равном 4/8, при селективности равной 7 и при давлении адсорбции 8 атмосфер степень извлечения продукта при заполнении адсорберов с эжектора увеличивается на 5,4%, а при заполнении адсорберов с компрессора на 11,1%.When using the proposed device according to claim 2, while desorption pressure is reduced to 0.1 atm. it is possible to obtain a product stream with an increased degree of product recovery. So, for example, when the ratio of the pressure in the low-pressure cavity to the pressure in the high-pressure cavity is 4/8, with a selectivity of 7 and an adsorption pressure of 8 atmospheres, the degree of product recovery when filling adsorbers from the ejector increases by 5.4%, and when filling adsorbers from the compressor by 11.1%.

В примерах в качестве мембранного фильтра использован мембранный модуль фирмы Generon. В качестве сорбента использован цеолит NaX. В качестве компрессора использован компрессор фирмы DurrTechnik модель A-065 серии KK40.In the examples, a Generon membrane module was used as a membrane filter. As a sorbent, zeolite NaX was used. As a compressor, a compressor of the DurrTechnik company model A-065 of the KK40 series was used.

Claims

1. An ejector membrane-sorption device for separating gas mixtures, containing at least two adsorbers filled with a solid adsorbent, a compressor, the outlet pipe of which is connected to the adsorbers through adjustable valves and with an inlet to the ejector mixer, the outlet of which is connected through the first distribution valve to the inlet nozzles of the adsorbers, and the outputs of the adsorbers are equipped with control valves for venting gas from the adsorbers to the waste pipe and are connected through the second distribution valve to the membranes filter, one of the branch pipes of the outlet which is connected to the consumer, and the second with an ejection mixer.

2. The device according to claim 1, characterized in that an additional ejection mixer with a receiver is installed on the discharge pipe.