RU2129903C1 - Способ разделения газовых смесей кислород - азот для получения регулируемых атмосфер - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области способов разделения газовых смесей типа кислород - азот. Техническим результатом является повышение эффективности процесса разделения газовых смесей. Способ разделения газовых смесей кислород - азот для получения регулируемых атмосфер включает химическое связывание кислорода в реакции окисления, при этом разделяемую газовую смесь, содержащую кислород и азот, непрерывно забирают из атмосферы, смешивают с объемным количеством от 0,8 до 2% водорода, который получают электролизом воды; в полученной смеси проводят реакцию окисления водорода с получением паров воды; реакцию ведут в проточном слое катализатора платиновой группы в автотермическом режиме без теплообмена с окружающей средой при начальной температуре не ниже 40^oС; теплоту реакции рекуперируют путем теплообмена продуктов реакции с забираемой газовой смесью и затем отводят в наружную среду охлаждением продуктов реакции; при этом пары воды конденсируют и воду возвращают на электролиз, где водород восстанавливают на катоде и возвращают на реакцию окисления, на аноде выделяют чистый кислород, а полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в атмосферу. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области способов разделения газовых смесей типа кислород - азот (или кислород-инертный газ), в частности, при получении и регулировании гипоксических атмосфер в замкнутых, герметизированных объемах (камерах).

Возрастающее применение в мировой практике находят регулируемые гипоксические (инертные) атмосферы, то есть атмосферы с низким (3...5%) и ультранизким (менее 1% объемных) содержанием кислорода: для длительного хранения и транспортировки свежей плодоовощной продукции и зерна [1], [2], [7]; в лечебно-профилактической медицине (методы нормобарической гипокситерапии "горный воздух") [3] ; для консервации и хранения аппаратуры авиационной и военной техники.

Частной задачей регулирования атмосферы является также режим гипероксической атмосферы с повышенным (более 21%) содержанием кислорода, применяемый для ускоренного вызревания плодоовощной продукции, для медицинских целей и т.п.

Известные, наиболее распространенные целевые способы газоразделения, применяемые для создания и поддержания гипоксических атмосфер, включают в себя две последовательных операции: в первой - получают из атмосферного воздуха, как исходного рабочего тела, гипоксическую газовую смесь путем удаления из воздуха части кислорода; во второй операции продувают полученной смесью камеру хранения продукции для вытеснения из нее начального кислорода воздуха (21%) и, в дальнейшем, кислорода, натекающего из окружающей атмосферы через негерметичности камеры в процессе хранения.

Главными показателями эффективности этих способов являются соответственно: величина удельных затрат (энергии или рабочих тел) на получение кубометра продувочной гипоксической смеси и на удаление кубометра кислорода из камеры (кВт • ч/м³); возможная глубина "откачки" кислорода, то есть предельно достижимая остаточная концентрация кислорода в атмосфере камеры.

Известен, в частности, мембранный способ получения гипоксической атмосферы, в котором используют газоселективные полимерные мембраны, обладающие свойством повышенной проницаемости по кислороду по сравнению с азотом [2], [4, стр. 305], [5], [6].

Эффективность мембран характеризуется коэффициентом селективности α, равным отношению коэффициентов проницаемости мембран по кислороду k_к и азоту k_а (л/(м² • ч • ата)):
α = k_к/k_a > 1.
Движущей силой процесса газоразделения является перепад парциальных давлений газов над мембраной P_н и под мембраной P_п, который создают сжатием исходного воздуха (или вакуум-откачкой подмембранного пространства), при этом соотношение потоков кислорода q_к и азота q_а через мембрану зависит от коэффициента селективности α и от отношения объемных концентраций C_к, C_a этих газов в смеси над мембраной:

где C_к= P_н(к)/P_н, C_a=P_н(a)/P_н - объемные концентрации газов над мембраной;
C_к+С_a= 1; P_н=P_н(к)+P_н(а) - общее давление смеси над мембраной; давления газов P_п(к), P_п(a) под мембраной для простоты опущены как малые величины по сравнению с надмембранными давлениями: P_п(к) << P_н(к); P_п(a) << P_п(a).

В данном способе (см. фиг. 1a) наружный воздух 1 с расходом Q_о сжимают компрессором 2 до нескольких атмосфер и пропускают над поверхностью газоселективной мембраны 3; через мембрану сепарируют кислородообогащенную смеси 4 и выбрасывают ее в наружную среду с расходом Q_сб.

Остающуюся после прохождения над мембраной азотообогащенную смесь 5 (Q_см= Q_о-Q_сб) после дросселирования 6 до атмосферного давления подают на продувку камеры 7, при этом вытесненную атмосферу камеры непрерывно сбрасывают (8) в наружную среду с расходом Q_см.

В данном способе для снижения содержания кислорода C_c в камере объемом V_c от начального значения (C_c=C_о=21%) до требующегося C_c = C_f необходимо продуть несколько объемов гипоксической смеси Q_см = K_v • V_c согласно известному соотношению для коэффициента кратности вентиляции K_v:

Q_см = K_v•V_c = (3...7)V_c, (3)
где C_см - концентрация кислорода в гипоксической смеси, подаваемой в камеру (обычно выбирают C_f-C_см ≈ 1%).

Коэффициент кратности вентиляции возрастает от K_v= 3 до 7 по мере уменьшения требующейся остаточной концентрации кислорода в камере C_f от 10 до 1 об.% (см. фиг. 2, кривая 5).

Удельные энерготраты на получение гипоксической смеси в способе составляют

и на удаление кислорода из камеры Q_к = V_c • (C_о-C_f):

Значительным недостатком способа является существенное возрастание удельных энергозатрат по мере уменьшения требующейся остаточной концентрации кислорода в камере C_f (т.е. увеличения концентрации азота C_af = 1-C_f). В физической основе этого недостатка лежит необходимость энерготрат на компрессию газов и низкая селективность существующих промышленных мембран α = 3. ..4,8.

При движении разделяемой смеси вдоль поверхности мембраны (см. фиг. 1б) и падении в ней концентрации кислорода всего до C_к ≈ 15% (от начальной C_к = 21%) потоки кислорода q_к и азота q_a, уходящие через мембрану согласно формуле (1), приблизительно уравниваются. При дальнейшем понижении концентрации C_к потери азота со сбрасываемым потоком Q_сб нарастают, количество получаемой целевой гипоксической смеси Q_см = Q_о - Q_сб составляет все меньшую часть от начального потока сжатого воздуха Q_о в формуле (4). Соответственно, удельные энерготраты n_см и, тем более n_к (см. формулу (5)), возрастают гиперболически.

На фиг. 2 приведены опытные данные по указанной зависимости энерготрат на получение гипоксической смеси n_см от концентрации в ней азота C_см(а) (C_см(а) = 1-C_см, на фиг. 3 - энерготраты n_к на вытеснительное удаление кислорода из атмосферы камеры в зависимости от концентрации в ней остаточного кислорода C_f для известных мембранных газоразделительных установок:
1 - установки типа БАРС (РФ) с мембранами из поливинилтриметилсилана ( α = 3,1...3,3);
2 - установки фирмы "Synara (DOW)" (США) с мембранами на основе диметилсилоксана ( α = 4...4,8).

При снижении концентрации кислорода в получаемой смеси C_см от 10% до 1,5...2% энерготраты n_см возрастают в 7...10 раз, а соответственные энерготраты на удаление кислорода из камеры - от 10 до 30...50 кВт • ч/м³ кислорода.

Принципиальным недостатком способа является существенное падение скорости удаления кислорода из камеры Q_к=Q_см(C_c-C_см) и практическая невозможность регулирования атмосфер при ультранизких содержаниях кислорода в камере C_c=C_f < 1% (содержание азота C_fa=1-C_f > 99%).

К недостаткам следует также отнести необходимость дорогостоящего безмаслянного компрессорного (или вакуумного) оборудования в способе.

Указанные недостатки, связанные с необходимостью энерготрат на компрессирование газов и низкой селективностью газоразделения, устраняются в способах, основанных на химическом связывании кислорода в реакции окисления (горения) [8], [9].

В частности, известен способ [7] создания и регулирования гипоксической атмосферы в камерах хранения, основанный на сжигании углеводородных газов, например пропан-бутана.

В данном способе (см. фиг. 4) атмосферный воздух 1, как исходное рабочее тело, забирают вентилятором 2, смешивают с пропан-бутаном 3 в горелке 4 в стехиометрическом соотношении (≈ 17% : 83%) и проводят сжигание пропан-бутана в камере сгорания 5 в присутствии хромомагнезитового катализатора при температурах до 2000^oC по реакциям:
C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O (6а)
C₄H₁₀ + 6,5O₂ = 4CO₂ + 5H₂O (6б)
Полученную газовую смесь 6, содержащую азот (≈ 70% объемных), углекислый газ (13...14%), пары воды (≈ 16%) и остаточный кислород (1...1,5%), подвергают охлаждению 7 до 20...25^oC, осушке путем конденсации паров воды 8 и далее очистке от углекислого газа путем его адсорбции активированным углем в двух попеременно работающих поглотительных патронах 9, 10, которые регенерируют с помощью продувки наружного воздуха вентилятором 11 через распределительные клапаны 12, 13.

В результате получают гипоксическую смесь 14 - азот с остаточной примесью кислорода около C_см = 1...1,5%, которую подают на продувку камеры 15 для вытеснения кислорода и создания гипоксической атмосферы; вытесняемую атмосферу 16 сбрасывают в наружную среду.

При этом затраты на получение 1 м³ смеси постоянны и определяются расходом рабочего тела m_г (пропан-бутана) по стехиометрии реакций (6а, 6б): m_г = 0,1 кг/м³ или в энергетическом стоимостном эквиваленте: n_г = m_г • (S_г/S_эл) = 0,1 • 20 = 2 кВт • ч/м³; где S_г - цена пропан-бутана (руб/кг), S_эл - цена электроэнергии, руб/кВт • ч; (соотношение S_г/S_эл относительно стабильно ≈ 20).

С учетом затрат энергии на операцию очистки азота от углекислого газа

≈ 0,3 кВт • ч/м³ смеси суммарные эквивалентные затраты на получение азотообогащенной смеси в данном способе

= 2,3 кВт • ч/м³ смеси.

Удельные затраты на вытеснительное удаление кислорода из камеры в соответствии с формулами (2) и (5) составляют

Данная зависимость на фиг. 3 (кривая 3) показывает, что несмотря на продувку камеры в данном случае практически чистым азотом (C_см(а) = 98,5... 99%), недостаток, связанный с гиперболическим возрастанием удельных затрат n_к по мере приближения к низким концентрациям кислорода в камере C_f, сохраняется: при переходе от C_f = 10% к C_f = 3% удельные затраты возрастают с 10 кВт • ч/м³ O₂ до 32 кВт • ч/м³ O₂.

Причиной этого являются необходимость затрат на расходуемое рабочее тело в способе - горючий газ, недостатки, присущие вытеснительному принципу удаления кислорода разомкнутой продувкой камеры, при которой непроизводительно теряется азот из камеры в наружную среду и быстро падает производительность процесса (скорость удаления кислорода Q_к) с понижением концентрации C_c кислорода в атмосфере камеры Q_к=Q_см(C_c-C_см).

К числу недостатков способа относятся также необходимость дополнительных операций разделения смеси углекислый газ - азот, удорожающих и усложняющих систему в целом, возможность накопления в камере микропримесей тяжелых и ароматических углеводородов, следы которых неизбежно присутствуют в продуктах сгорания нефтепродуктов и трудно поддаются полному окислению и адсорбционной очистке, необратимость связывания кислорода в углекислый газ и невозможность его использования для поддержания режима гипероксической (кислород > 21%) атмосферы в камере (для режима ускоренного созревания сельхозпродукции).

С целью устранения указанных недостатков предлагается способ разделения газовых смесей кислород - азот для получения регулируемых атмосфер, включающий химическое связывание кислорода в реакции окисления, отличающийся тем, что разделяемую газовую смесь, содержащую кислород и инертные газы, например азот, непрерывно забирают из объема с регулируемой атмосферой, смешивают с объемным количеством от 0,8% до 2% водорода, который получают электрохимическим разложением (электролизом) воды; в полученной смеси проводят реакцию окисления водорода с получением паров воды; реакцию ведут в проточном слое катализатора платиновой группы в автотермическом режиме без теплообмена с окружающей средой при начальной температуре не ниже 40^oC; теплоту реакции рекуперируют путем теплообмена продуктов реакции с забираемой газовой смесью и затем отводят в наружную среду охлаждением продуктов реакции; при этом пары воды конденсируют и воду возвращают на электролиз, где водород восстанавливают на катоде и возвращают не реакцию окисления, на аноде выделяют чистый кислород, а полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в атмосферу.

При регулировании гипоксической атмосферы в замкнутом объеме способ осуществляют со следующим развитием признаков:
разделяемую газовую смесь забирают из регулируемой атмосферы замкнутого объема и полученную гипоксическую смесь возвращают в замкнутый объем; выделенный на аноде чистый кислород подают в окружающую атмосферу; процесс ведут до получения заданной остаточной концентрации кислорода в регулируемой атмосфере - до 0,5% объемных.

Наряду с вышеуказанным режимом регулирования гипоксической атмосферы (C_f < 21%), диапазон регулирования в предлагаемом способе без изменения его существенных признаков может быть расширен до гипероксической атмосферы (с концентрацией кислорода больше 21%) при следующем развитии:
разделяемую газовую смесь забирают и полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в окружающую атмосферу, а чистый кислород подают в регулируемую атмосферу замкнутого объема до получения требующейся концентрации его в диапазоне 21...99% объемных.

Способ может быть использован в режиме непрерывного газоразделения атмосферного воздуха с получением чистого азота и кислорода - со следующим развитием операций:
процесс ведут до получения регулируемой атмосферы с минимальной остаточной концентрацией кислорода 0,5%; затем в разделяемую газовую смесь непрерывно добавляют воздух из окружающей атмосферы, а из регулируемой атмосферы, соответственно, забирают азот; азот и кислород электролиза отбирают к потребителю, выдерживая величину и соотношение их расходов соответственно составу и расходу добавляемого воздуха.

Последовательность операций способа иллюстрирована фиг. 5, где 2 - забор атмосферы 1; 3 - смешение с водородом 4; 5 - захват кислорода в реакции окисления; 6- рекуперация тепла реакции во входящий поток атмосферы; 7 - отвод тепла реакции в наружную среду и конденсация паров воды; 8 - возвращение воды на электролиз; 9 - электролиз воды с получением водорода на катоде 10 и кислорода на аноде 11; возвращение водорода 4 на реакцию 5, 12 - возвращение гипоксической смеси в атмосферу 1; 13 - выделение кислорода; 14 - электролит.

Режимные параметры способа выбирают из условия обеспечения надежности реакции окисления водорода в автотермическом режиме при низких и ультранизких (до 0,4%) концентрациях кислорода в исходной атмосфере

Нижний предел концентрации водорода (0,8% объемных) выбирают с учетом температурного условия устойчивости реакции окисления (8)
T_p > T_min,
где T_min ≈ 30...35^oC - минимально допустимая температура реакции, при которой скорость реакции достаточна для полного окисления водорода в проточном слое катализатора на основе металлов платиновой группы (платина, палладий). В автотермическом режиме реакции (8) (без подвода и отвода тепла) саморазогрев газовой смеси за счет теплоты реакции Q_p составляет около 70^oC на 1% водорода в смеси (56^oC на 0,8%). В совокупности с операцией 6 рекуперации тепла (фиг. 5) режимный параметр по концентрации водорода 0,8% с запасом обеспечивает условие (9) в начале реакции 5 во всем диапазоне обычных, положительных (t > 0^oC) температур атмосферы камер хранения и при любых концентрациях кислорода в атмосфере от 21% до 0,4...0,5% согласно стехиометрии реакции (8).

Верхний предел концентрации водорода - 2% объемных - устанавливают из условиях надежного запаса по взрывобезопасности смеси: концентрационный предел взрывоопасности составляет 4,5%.

Существенные особенности способа.

В отличие от прототипа, где кислород химически связывают необратимо в "тупиковые" продукты (углекислый газ, воду) с расходом рабочего тела (горючего газа), в совокупности операций способа осуществляют замкнутый безрасходный цикл газоселективного кислородного насоса, в котором роль переносчика кислорода из среды с низким парциальным давлением кислорода в среду с повышенным парциальным давлением кислорода, выполняет водород в замкнутой последовательности операций (фиг. 5): захват кислорода в реакции 5 окисления водорода с образованием паров воды, конденсация паров воды 7 и возврат ее 8 на электролиз, электрохимическое восстановление водорода на катоде 12 в процессе электролиза воды 9 и возвращение его в реакцию 5, выделение чистого кислорода на аноде 13 при давлении, равном или большем, чем атмосферное.

В качестве движущей силы процесса газоразделения в указанном цикле способа используют разность потенциалов анод-катод (напряжение на элементе) U_э при электролизе воды

Удельные затраты энергии n_к на выделение чистого кислорода при этом определяются только напряжением на элементе U_э, которое находится в определенном диапазоне U_э = 1,8...2,1 B (в функции типа элемента и плотности тока в элементе), т.е. в данном способе удельные энерготраты n_к не зависят от концентрации кислорода в разделяемой газовой смеси и составляют (см. фиг. 3, поз. 4):

(Э_к = 0,298 • 10^-3 кг O₂/(A • ч) - электрохимический эквивалент реакции электролиза по кислороду; ρ_к = 1,43 кг/м³ - плотность кислорода при нормальных условиях).

Удельные энерготраты на циркуляцию газовой смеси в способе, как правило, не превышают 3% от n_к.

В способе кислород выделяют в одну операцию - непосредственно из регулируемой атмосферы в замкнутом объеме камеры, в отличие от прототипа, включающего неэкономичные операции предварительного приготовления гипоксической газовой смеси из воздуха и последующей многократной разомкнутой продувки камеры с коэффициентом кратности K_v (см. (2)).

В силу указанных особенностей скорость сепарации кислорода из регулируемой атмосферы не зависит от изменения концентрации кислорода в ней в отличие от прототипа и определяется только расходом водорода в цикле способа согласно стехиометрии реакций (8), (10); (расход водорода Q_в задается силой тока I электролиза Q_в = I_эn; n - число последовательно соединяемых элементов в процессе электролиза (10)).

Указанная совокупность особенностей способа позволяет получить качественно новые эффекты.

Осуществить высокоселективную безкомпрессионную сепарацию кислорода в чистом виде из газовой смеси с азотом (равно с инертными газами) при нормальных и ультранизких - до 0,5% - содержаниях кислорода в смеси с постоянной скоростью и энерготратами во всем диапазоне содержаний кислорода в отличие от известных способов.

Осуществить безрасходную технологию получения и регулирования гипоксических атмосфер в замкнутых объемах с низким и ультранизким содержанием кислорода - до 0,5% объемных - с энергоэкономическим выигрышем в 3...7 раз относительно существующих известных способов при полной экологической чистоте.

Расширить диапазон регулирования от гипоксических до гипероксических атмосфер с концентрацией кислорода от 0,5 до 99,5% единым техническим средством.

Осуществить упрощенную безкомпрессионную технологию разделения воздуха при атмосферном давлении и положительных температурах и реализовать новый тип мобильных, малогабаритных установок для получения чистого азота (99,5%) и кислорода (99,9%) непосредственно у индивидуального потребителя, обладающих упрощенной конструкцией без подвижных частей, сниженной металлоемкостью и показателями энергоэкономичности (2,15...2,25 кВт • ч/м³ азота) не хуже существующих криогенных газоразделительных установок высокого давления (3,0... 3,8 кВт • ч/м³ азота).

Примеры реализации способа.

На фиг. 6 приведен пример реализации способа для регулирования гипоксической атмосферы в замкнутом объеме, например, в камерах хранения продукции, где 1 - камера, 2 - забор атмосферы камеры, 3 - вентилятор, 4 - теплообменник-рекуператор, 5 - смесительная камера, 6 - каталитический реактор, 7 - теплоизоляция реактора, 8 - теплообменник-конденсатор с отстойником воды 9, 10 - линия хладогента, 11 - линия возврата гипоксической смеси в атмосферу камеры, 12 - электролизер воды, 13 - катод, 14 - анод, 15 - выход водорода, 16 - выход кислорода, 17 - пусковой электронагреватель, 18 - уравнительный кран.

Начальную воздушную атмосферу камеры 1, содержащую азот и кислород в концентрации от 21% объемных, забирают по линии 2 вентилятором 3, нагревают предварительно в теплообменнике-рекуператоре 4 (до температуры ≥ 40^oC согласно условию (9)), смешивают в потоке с водородом 15 в камере смешения 5 и пропускают через насыпку гранулированного катализатора реактора 6, наружный корпус которого закрыт теплоизоляцией 7. В качестве активной основы катализатора используют металлы платиновой группы (платиновую и палладиевую чернь).

В реакторе проводят экзотермическую реакцию полного окисления водорода (8) без теплообмена с окружающей средой, при этом происходит дополнительный саморазогрев газовой смеси на величину Δt = 70^o (0,8...2%) = 56...140^oC (см. п. 5.1. ), а концентрация кислорода в газовой смеси снижается, соответственно, на 0,4...1% объемных согласно стехиометрии реакции (8).

Полученные продукты реакции, содержащие азот, остаточный кислород и пары воды, направляют в теплообменник-рекуператор 4, где происходит передача тепла реакции (8) входящему потоку газовой смеси 2. Этим обеспечивается автоматическое поддержание температурного условия (9) полного окисления водорода без специального регулирования при изменениях температуры атмосферы, забираемой из камеры (автотермический, самоустанавливающийся режим).

Продукты реакции дополнительно охлаждают в теплообменнике 8 наружным хладоагентом 10, при этом конденсируют пары воды; воду из отстойника 9 возвращают в электролизер 12, а осушенную газовую смесь возвращают в камеру 1 по линии 11.

Воду в электролизере разлагают на водород, выделяемый на катоде 13, и кислород - на аноде 14. Водород 15 возвращают на реакцию в камеру смешения 5, кислород 16 выделяют в наружную среду.

Процесс ведут от начального значения концентрации кислорода в камере 1 до заданного, вплоть до 0,5%.

Расход водорода Q_в, подаваемого в реакцию (8), устанавливают силой тока I электролиза Q_в = I_эn, где n - количество последовательно соединенных электролизных элементов в электролизной батарее; э - электрохимический эквивалент реакции (10) по водороду; э = 2,03 • 10^-5 кг/(А • ч).

Электронагреватель 17 служит для предварительного разогрева насыпки катализатора до начальной температуры не менее 40^oC (согласно условию (9)) в период запуска длительностью несколько минут и затем выключается.

Уравнительный технологический кран 18 устанавливается по необходимости, в случае высокогерметичных камер для исключения перепада давлений между атмосферой камеры и окружающей средой, возникающего вследствие селективной откачки кислорода из камеры в наружную среду.

Объектом регулирования могут являться азот-кислородные (воздушные) атмосферы камер хранения продукции и, в равной степени, защитные инертные атмосферы из гелия, аргона, диоксида углерода и т.п., применяемые в технологиях ряда производств. В последнем случае производят удаление из атмосферы камер кислорода, нетекающего из окружающей среды.

На фиг. 7 приведен пример реализации способа в режиме регулирования гипероксической атмосферы с концентрацией кислорода более 21% объемных.

В этом режиме забирают воздух 2 из окружающей атмосферы и возвращают гипоксическую газовую смесь 11 в окружающую атмосферу, а кислород 16 направляют в камеру 1 до создания в ней нужной концентрации кислорода от 21 до 99% объемных.

Все элементы схемы (см. пунктирную рамку A) и последовательность действий полностью аналогичны фиг. 5 и п. 6.1.

На фиг. 8 приведен пример использования способа в режиме разделения атмосферного воздуха на азот и кислород.

Состав схемы (см. пунктирную рамку A) полностью аналогичен фиг. 5; при этом камера имеет линию 19 забора азота к потребителю с краном 20; кран 18 при работе постоянно открыт в окружающую атмосферу.

В начале работы содержание кислорода в камере 1 снижают до минимального C_c ---> 0,5% аналогично п. 6.1; затем кран 20 открывают и забирают азот из камеры 1 к потребителю. При этом соблюдают соотношение средних расходов азота Q_a и кислорода Q_к, соответствующие составу разделяемого воздуха Q_а/Q_к ≈ 80%/20% = 4, что обеспечивает поддержание установленной в камере остаточной концентрации кислорода C_c ≈ 0,5% и чистоту получаемого азота ≈ 99,5%.

Камера 1 в данном процессе играет роль буферной емкости азота при регулировании и поддержании в ней смеси заданного состава, объем ее выбирают из чисто технологических соображений.

Чистота получаемого кислорода в современных конструкциях электролизеров воды соответствует 99,5...99,8%.

По сравнению с существующими криогенными технологиями разделения воздуха, требующими высоких давлений компрессирования, предложенный способ позволяет реализовать новый тип газоразделительных установок, работающих при атмосферном давлении, нормальных температурах и обладающих следующими качественными особенностями: существенная простота конструкции и отсутствие агрегатов с подвижными частями (компрессоров, детандеров и т.п.), существенно сниженная металлоемкость и масса конструкции, малогабаритность и высокая транспортабельность, возможность экономического получения азота и кислорода в установках любой малой производительности непосредственно у потребителя.

Удельные энерготраты в способе на получение кубометра азота и, соответственно, 0,25 м³ кислорода составляют (см. формулу (11)):

(где C_к, C_a - концентрации кислорода и азота в воздухе).

Удельные энерготраты в транспортабельных криогенных воздухоразделительных установках высокого давления могут достигать от 3 кВт • ч/м³ азота (установка ЖА-20) до 3,5 кВт • ч/м³ азота (установка СКАДС-17).

Литература
1. Хранение плодов. - М.: Колос, 1984 (пер. с. нем. под ред. Ульянова А. М.).

2. Гудковский В.А. Длительное хранение плодов. - Алма-Ата: Кайнар, 1984.

3. Караш Ю.М., Стрелков Р.Б., Чижов А.Д. Нормобарическая гипоксия в лечебной, профилактической и реабилитационной медицине. - М.: Медицина, 1988.

4. Дытнерский Ю. И. , Брыков В.П., Каграмов Г.Г. Мембранное разделение газов. - М.: Химия, 1991.

5. Авторское свидетельство N 895386, 25.12.81.

6. Авторское свидетельство N 1587728, 1990.

7. Установки регулирования газовых сред и эффективность их применения для хранения сельскохозяйственных продуктов. - М.: ВНИИЭгазпром, серия: Важнейшие научно-технические проблемы газовой промышленности, 1984 вып. 1.

8. Авторское свидетельство N 371962, 14.12.72.

9. Авторское свидетельство N 581732, 28.06.77.9

Claims (4)

1. Способ разделения газовых смесей кислород - азот для получения регулируемых атмосфер, включающий химическое связывание кислорода в реакции окисления, отличающийся тем, что разделяемую газовую смесь, содержащую кислород и азот, непрерывно забирают из атмосферы, смешивают с объемным количеством от 0,8 до 2% водорода, который получают электролизом воды; в полученной смеси проводят реакцию окисления водорода с получением паров воды; реакцию ведут в проточном слое катализатора платиновой группы в автотермическом режиме без теплообмена с окружающей средой при начальной температуре не ниже 40^oC; теплоту реакции рекуперируют путем теплообмена продуктов реакции с забираемой газовой смесью и затем отводят в наружную среду охлаждением продуктов реакции; при этом пары воды конденсируют и воду возвращают на электролиз, где водород восстанавливают на катоде и возвращают на реакцию окисления, на аноде выделяют чистый кислород, а полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в атмосферу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделяемую газовую смесь забирают из регулируемой атмосферы замкнутого объема и полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в регулируемую атмосферу замкнутого объема; выделенный на аноде чистый кислород подают в окружающую атмосферу; процесс ведут до получения заданной остаточной концентрации кислорода в регулируемой атмосфере до 0,5 об.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделяемую газовую смесь забирают и полученную гипоксическую газовую смесь возвращают в окружающую атмосферу, а чистый кислород подают в регулируемую атмосферу замкнутого объема до получения требующейся концентрации его в диапазоне 21 - 99 об.%.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс ведут до получения регулируемой атмосферы с минимальной остаточной концентрацией кислорода 0,5%; затем в разделяемую газовую смесь непрерывно добавляют воздух из окружающей атмосферы, а из регулируемой атмосферы соответственно забирают азот; азот и кислород электролиза отбирают к потребителю, выдерживая величину и соотношение их расходов соответственно составу и расходу добавляемого воздуха.

Images