RU2048866C1

RU2048866C1 - Adsorption air separating apparatus

Info

Publication number: RU2048866C1
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Матяш; А.К. Грезин; Л.И. Иванова; В.М. Ильин; А.В. Федосеев
Original assignee: Омское научно-производственное объединение "Сибкриотехника"
Priority date: 1991-04-18
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: separation of gases. SUBSTANCE: apparatus has adsorbers made as a unit and having one common side and air inlet branch pipes disposed at their opposite ends. Heat conductive members are positioned in adsorbers perpendicular with respect to gas flow direction. Heat conductive members positioned at the side adjacent to adsorber inlet are in thermal contact with heat conductive members of other adsorber positioned at the side adjacent to adsorber outlet. EFFECT: increased efficiency and enhanced reliability in operation. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к адсорбционной технике, в частности к способам разделения газов. The invention relates to an adsorption technique, in particular to methods for gas separation.

Известна адсорбционная установка разделения воздуха, включающая источник сжатого воздуха, два или несколько попеременно работающих адсорберов, заполненных сорбентом для извлечения азота или кислорода из воздуха при комнатной температуре [1]
Данная установка характеризуется низкой удельной производительностью и невысокой чистотой продуктов разделения.Known adsorption installation of air separation, including a source of compressed air, two or more alternately working adsorbers filled with a sorbent for the extraction of nitrogen or oxygen from air at room temperature [1]
This installation is characterized by low specific productivity and low purity of separation products.

Это объясняется тем, что на стадии адсорбции, включающей заполнение адсорбента воздухом высокого давления и адсорбцию одного из компонентов воздуха, происходит выделение тепла сжатия и адсорбции, что приводит к разогреву сорбента и разделяемых компонентов воздуха. Увеличение степени разогрева сорбента совпадает с направлением движения газа в адсорбере в период его заполнения, так что максимальному разогреву (до 40-50^оС) подвержены самые верхние слои сорбента и продукты разделения на выходе их из адсорбера. Повышение температуры адсорбции приводит к снижению адсорбционной емкости сорбента и степени разделения воздуха на компоненты, поэтому уменьшается удельная производительность установки и чистота продуктов разделения.This is explained by the fact that at the adsorption stage, which includes filling the adsorbent with high pressure air and adsorption of one of the air components, the heat of compression and adsorption is released, which leads to heating of the sorbent and the separated air components. Increasing the degree of heating of the sorbent coincides with the direction of motion of the gas in the adsorber during its filling, so that the maximum heating (40-50 ° ^C) subject to the uppermost layers of the sorbent and separation of products at the outlet of the adsorber. An increase in the adsorption temperature leads to a decrease in the adsorption capacity of the sorbent and the degree of separation of air into components; therefore, the specific productivity of the installation and the purity of the separation products are reduced.

На стадии десорбции осуществляется сброс газа из адсорбера, сопровождаемый охлаждением сорбента и газа за счет расширения газа и его десорбции. Снижение температуры слоя сорбента снижает степень его регенерации, что приводит к потере сорбционной емкости сорбента на стадии адсорбции и, следовательно, к снижению удельной производительности установки. At the desorption stage, gas is discharged from the adsorber, accompanied by cooling of the sorbent and gas due to expansion of the gas and its desorption. A decrease in the temperature of the sorbent layer reduces the degree of its regeneration, which leads to a loss in the sorption capacity of the sorbent at the adsorption stage and, consequently, to a decrease in the specific productivity of the installation.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является адсорбционная воздухоразделительная установка, включающая источник сжатого воздуха, клапаны управления газовыми потоками, заполненные адсорбентом адсорберы, внутри которых расположены металлические теплопроводящие элементы, ориентированные вдоль оси адсорбера [2]
В такой установке установленные таким образом теплопроводящие элементы позволяют уменьшить градиенты температуры на выходе адсорберов за счет перераспределения тепла (холода) по слою, однако, выделяющееся тепло (холод) остается в адсорбере, что приводит к увеличению (уменьшению) температуры и, как следствие, к снижению сорбционной емкости и степени регенерации адсорберов, что проявляется в виде уменьшения удельной производительности установки и чистоты продуктов разделения.The closest to the invention in technical essence is an adsorption air separation unit, including a source of compressed air, gas flow control valves, adsorbers filled with adsorbent, inside which there are metal heat-conducting elements oriented along the axis of the adsorber [2]
In such an installation, the heat-conducting elements installed in this way can reduce the temperature gradients at the outlet of the adsorbers due to the redistribution of heat (cold) over the layer, however, the released heat (cold) remains in the adsorber, which leads to an increase (decrease) in temperature and, as a result, decrease in sorption capacity and the degree of regeneration of adsorbers, which is manifested in the form of a decrease in the specific productivity of the installation and the purity of the separation products.

Технической задачей изобретения является повышение удельной производительности установки и чистоты продукта разделения, она достигается тем, что в известной адсорбционной установке разделения воздуха, содержащей источник сжатого воздуха, клапаны управления газовыми потоками, заполненные сорбентом адсорберы, внутри которых расположены теплопроводящие элементы, согласно изобретению, адсорберы выполнены в виде единого узла таким образом, что имеют одну общую сторону, а патрубки входа воздуха расположены на их противоположных торцах. Кроме того, теплопроводящие элементы расположены перпендикулярно направлению движению газовых потоков в адсорберах, при этом теплопроводящие элементы внутреннего адсорбера установлены со стороны входа воздуха в этот адсорбер от источника его сжатия и имеют тепловой контакт с теплопроводящими элементами наружного адсорбера, установленными со стороны выхода отработанного газа из этого адсорбера и наоборот. Таким образом, предлагаемая установка позволяет компенсировать тепло, выделяющееся в процессе сорбции и сжатия холодом, вырабатываемым в процессе расширения и десорбции, что стабилизирует температуру протекающих процессов, тем самым обеспечивая достижение максимальных удельной производительности установки и чистоты получаемого продукта. An object of the invention is to increase the specific productivity of the installation and the purity of the separation product, it is achieved by the fact that in the known adsorption installation for the separation of air containing a source of compressed air, gas flow control valves filled with adsorbent adsorbers, inside which are heat-conducting elements, according to the invention, the adsorbers are made in the form of a single unit in such a way that they have one common side, and the air inlet pipes are located at their opposite ends. In addition, the heat-conducting elements are located perpendicular to the direction of gas flow in the adsorbers, while the heat-conducting elements of the internal adsorber are installed on the air inlet side of this adsorber from its compression source and have thermal contact with the heat-conducting elements of the external adsorber installed on the exhaust gas outlet side of this adsorber and vice versa. Thus, the proposed installation allows you to compensate for the heat generated during sorption and compression by the cold generated during expansion and desorption, which stabilizes the temperature of the processes, thereby ensuring the maximum specific productivity of the installation and the purity of the resulting product.

На фиг. 1 изображена одна из возможных схем установки; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 узел I на фиг1 (вариант выполнения теплопроводящих элементов). In FIG. 1 shows one of the possible installation schemes; in Fig.2 a section aa in Fig. 1; in Fig.3 node I in Fig1 (an embodiment of heat-conducting elements).

Установка включает источник сжатого воздуха 1, адсорберы 2 и 3, заполненные сорбентом и снабженные патрубками 4 и 5 для входа воздуха от источника 1 и 6, 7 для выхода продукта разделения, клапаны 8-14 для управления газовыми потоками. Адсорберы 2 и 3 размещены таким образом, что входной патрубок 4 адсорбера 2 и выходной патрубок 7 адсорбера 3 расположены на одном торце адсорбционного блока, например, на верхнем, а выходной патрубок 6 адсорбера 2 и входной патрубок 5 адсорбера 3 на другом торце, например, на нижнем. The installation includes a source of compressed air 1, adsorbers 2 and 3, filled with sorbent and equipped with nozzles 4 and 5 for air inlet from source 1 and 6, 7 for the output of the separation product, valves 8-14 for controlling gas flows. The adsorbers 2 and 3 are arranged so that the inlet pipe 4 of the adsorber 2 and the outlet pipe 7 of the adsorber 3 are located at one end of the adsorption unit, for example, at the top, and the outlet pipe 6 of the adsorber 2 and the inlet pipe 5 of the adsorber 3 at the other end, for example, on the bottom.

Кроме того, адсорберы 2 и 3 снабжены теплопроводящими элементами 15-18, изготовленными из высокотеплопроводного материала, например из меди, и размещенными со стороны входных и выходных патрубков по высоте каждого адсорбера, составляющей примерно 1/3 высоты слоя сорбента в адсорберах. Теплопроводящие элементы могут быть выполнены, например, в виде стержней и установлены таким образом, что теплообменная поверхность элемента 16, расположенная в слое цеолита со стороны входа воздуха в адсорбере 2, имеет тепловой контакт с теплообменной поверхностью элемента 17, расположенной в слое цеолита адсорбера 3 со стороны выхода продукта разделения, а теплообменная поверхность элемента 18, расположенная в слое цеолита со стороны входа воздуха в адсорбере 3, имеет тепловой контакт с теплообменной поверхностью элемента 15, расположенной в слое цеолита адсорбера 2 со стороны выхода продукта разделения. In addition, adsorbers 2 and 3 are equipped with heat-conducting elements 15-18 made of highly heat-conducting material, for example, copper, and placed on the side of the inlet and outlet nozzles along the height of each adsorber, which is approximately 1/3 of the height of the sorbent layer in the adsorbers. The heat-conducting elements can be made, for example, in the form of rods and installed in such a way that the heat-exchange surface of the element 16 located in the zeolite layer on the air inlet side of the adsorber 2 has thermal contact with the heat-exchange surface of the element 17 located in the zeolite layer of the adsorber 3 the outlet side of the separation product, and the heat exchange surface of the element 18, located in the zeolite layer from the air inlet side in the adsorber 3, has thermal contact with the heat exchange surface of the element 15, located zeolite adsorber in layer 2 by the separation of the product output.

Такое исполнение адсорбционной установки разделения воздуха (размещение адсорберов, расположение патрубков входа воздуха и выхода продукта разделения и теплопроводящих элементов) позволяет оптимальным образом компенсировать тепло сжатия и адсорбции, получаемое в процессе заполнения наружного адсорбера, холодом, вырабатываемым при десорбции и расширении в процессе опорожнения внутреннего адсорбера, и наоборот. This embodiment of the adsorption air separation unit (placement of adsorbers, the location of the air inlet and outlet of the separation product and the heat-conducting elements) optimally compensates for the heat of compression and adsorption obtained in the process of filling the external adsorber with the cold generated during desorption and expansion during the emptying of the internal adsorber , and vice versa.

Установка работает циклично, так что, когда в адсорбере 3 осуществляют процесс адсорбции, то в адсорбере 2 в это время осуществляют процесс десорбции. The installation operates cyclically, so that when the adsorption process is carried out in adsorber 3, the desorption process is carried out in adsorber 2 at this time.

Последовательность операций при работе установки с детальным представлением ее конструкции заключается в следующем. The sequence of operations during operation of the installation with a detailed representation of its design is as follows.

Воздух повышенного давления поступает от источника 1 через открытый клапан 9 и патрубок 4 в адсорбер 2, в котором при движении воздуха по слою цеолита за счет преимущественной адсорбции азота на цеолите он обогащается кислородом, после чего через патрубок 6 и открытый клапан 14 обогащенный кислородом воздух подается потребителю в виде продукта разделения. При этом клапан 12 частично приоткрыт, и часть обогащенного кислородом воздуха направляют в адсорбер 3. High pressure air is supplied from source 1 through open valve 9 and pipe 4 to adsorber 2, in which when air moves through the zeolite layer due to the predominant adsorption of nitrogen on the zeolite, it is enriched with oxygen, after which oxygen enriched air is supplied through pipe 6 and open valve 14 to the consumer in the form of a separation product. When this valve 12 is partially ajar, and part of the oxygen-enriched air is sent to the adsorber 3.

В это же время через патрубок 5 и открытый клапан 10 из адсорбера 3 осуществляют сброс отработанного газа. После опорожнения адсорбера 3 закрывают клапаны 9, 10 и 14 и одновременно открывают клапаны 8, 11 и 13 (адсорбер 2 переключается в режим регенерации), в результате воздух повышенного давления от источника 1 через патрубок 5 и открытый клапан 8 поступает в адсорбер 3, в котором при движении воздуха по слою цеолита за счет преимущественной адсорбции азота на цеолите он обогащается кислородом, после чего через патрубок 7 и открытый клапан 13 обогащенный кислородом воздух подается потребителю, при этом клапан 12 частично приоткрыт, и часть обогащенного кислородом воздуха направляют в адсорбер 2. At the same time, through the pipe 5 and the open valve 10 from the adsorber 3 discharge the exhaust gas. After emptying the adsorber 3, close the valves 9, 10 and 14 and at the same time open the valves 8, 11 and 13 (the adsorber 2 switches to the regeneration mode), as a result of the increased pressure air from the source 1 through the pipe 5 and the open valve 8 enters the adsorber 3, which, when air moves through the zeolite layer due to the predominant adsorption of nitrogen on the zeolite, it is enriched with oxygen, after which through the pipe 7 and open valve 13 oxygen-enriched air is supplied to the consumer, while valve 12 is partially ajar, and part of the enriched by air sulphide is directed to adsorber 2.

Далее процесс повторяется. The process is then repeated.

Вследствие цикличной работы установки (рассматривается цикл, при котором в адсорбере 2 осуществляется процесс адсорбции, а в адсорбере 3 процесс десорбции) при заполнении адсорбера 2 воздухом повышенного давления одновременно осуществляют сброс отработанного газа из адсорбера 3 и наоборот. В процессе адсорбции, проводимой, например, в адсорбере 2, происходит его заполнение воздухом, повышенного давления через патрубок 4, сопровождаемое сжатием воздуха в адсорбере 2 с выделением тепла сжатия. Одновременно с заполнением адсорбера 2 воздухом повышенного давления происходит адсорбция азота на цеолите с выделением тепла адсорбции. Выделяемое в адсорбере 2 тепло сжатия и адсорбции перемещается к патрубку 6 продуктов разделения, выходящим из адсорбера 2, в котором расположены теплопроводящие элементы 15, что приводит к разогреву последних. Due to the cyclic operation of the installation (a cycle is considered in which the adsorption process is carried out in adsorber 2, and the desorption process in adsorber 3), when the adsorber 2 is filled with high pressure air, the exhaust gas is simultaneously discharged from adsorber 3 and vice versa. In the adsorption process, carried out, for example, in the adsorber 2, it is filled with air, increased pressure through the pipe 4, accompanied by compression of the air in the adsorber 2 with the release of compression heat. Simultaneously with the filling of the adsorber 2 with high pressure air, nitrogen is adsorbed on the zeolite with the release of adsorption heat. The heat of compression and adsorption released in the adsorber 2 is transferred to the pipe 6 of the separation products exiting the adsorber 2, in which the heat-conducting elements 15 are located, which leads to heating of the latter.

В это же время в адсорбере 3 осуществляют десорбцию цеолита путем сброса отработанного газа через патрубок 5 и открытый клапан 10. Процесс десорбции сопровождается охлаждением газа и слоя цеолита, находящегося в адсорбере 3, за счет расширения газа, покидающего адсорбер 3, и за счет десорбции ранее адсорбированного азота слоем цеолита. Получаемый в адсорбере 3 холод потоком отработанного газа перемещаетcя к патрубку 5, в котором раcположены теплопроводящие элементы 18, что приводит к охлаждению последних. At the same time, in the adsorber 3, the zeolite is desorbed by discharging the exhaust gas through the nozzle 5 and the open valve 10. The desorption process is accompanied by cooling of the gas and the zeolite layer located in the adsorber 3 due to the expansion of the gas leaving the adsorber 3 and due to desorption earlier adsorbed nitrogen layer of zeolite. The cold obtained in the adsorber 3 by the exhaust gas flow moves to the pipe 5, in which the heat-conducting elements 18 are located, which leads to cooling of the latter.

Поскольку теплопроводящие элементы изготовлены из высокотеплопроводного материала и выполнены таким образом, что часть теплообменной поверхности каждого элемента (например, 15) находится в слое сорбента адсорбера 2, а другая его часть 18 находитcя в cлое cорбента адcорбера 3, то обеcпечиваетcя выcокоэффективная передача тепла из адсорбера 2 в адсорбер 3 и холода из адсорбера 3 в адсорбер 2. В результате тепло, выделяемое при адсорбции (тепло сжатия и адсорбции), полностью компенсируется холодом, выделяемым при десорбции (холод, получаемый при расширении газ и десорбции азота из слоя цеолита). Since the heat-conducting elements are made of highly heat-conducting material and are made in such a way that part of the heat exchange surface of each element (for example, 15) is in the adsorbent adsorbent layer 2 and its other part 18 is in the adsorbent adsorbent layer 3, the highly efficient heat transfer from the adsorber 2 is ensured. to adsorber 3 and cold from adsorber 3 to adsorber 2. As a result, the heat generated during adsorption (heat of compression and adsorption) is completely compensated by the cold released during desorption (the cold obtained during dissolution Irene gas and nitrogen desorption from the zeolite layer).

В следующем цикле, когда в адсорбере 2 осуществляют десорбцию, а в адсорбере 3 адсорбцию, теплообмен между адсорберами осуществляется элементами 16 и 17. In the next cycle, when desorption is carried out in adsorber 2 and adsorption in adsorber 3, heat transfer between the adsorbers is carried out by elements 16 and 17.

Claims

1. ADSORPTION INSTALLATION OF AIR SEPARATION, including a source of compressed air, gas flow control valves, adsorbers filled with adsorbers with air inlet and outlet pipes and heat-conducting elements inside, characterized in that the adsorbers are made as a single unit in such a way that they have one common side , and the air inlet nozzles are located at their opposite ends.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the heat-conducting elements of one adsorber installed on the air inlet side are simultaneously heat-conducting elements of the second adsorber installed on the outlet side of the separation product from this adsorber, and the heat-conducting elements of the second adsorber installed on the inlet side air, at the same time are heat-conducting elements of the first adsorber installed on the outlet side of the separation product from this adsorber.