RU2597600C1

RU2597600C1 - Separation of gas mixes by short-cycle unheated adsorption using three adsorption columns

Info

Publication number: RU2597600C1
Application number: RU2015113666/05A
Authority: RU
Inventors: Леонид Федорович Шестиперстов
Original assignee: Леонид Федорович Шестиперстов
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to methods for separating gas mixtures using short-cycle unheated adsorption. Method is implemented using a unit that includes, in particular, a pressure source, three identical adsorption columns, system of switching valves. Gas mix flow is forced under pressure through a layer of adsorbent simultaneously in one of three parallel connected adsorption columns, in which the modes of adsorption and desorption at high and low pressure are cyclically and sequentially activated by switching the system of inlet, blowoff and bypass valves. Two out of three adsorption columns at any given time are in the adsorption mode to adsorb well sorbed components of gas mixture, one is in the desorption mode to desorb previously sorbed components of gas mixture. In comparison to conventionally used units with two adsorption columns, the invention allows to ensure continuity and high uniformity of consumption of gas mix, continuity and increased uniformity of producing the desired gas, and also increase the degree of extraction of the target components from gas mixture with an increased service life of the adsorbent, reduction of overall dimensions and material consumption of the unit.

EFFECT: disclosed is a method for separation of gas mixtures.

1 cl, 2 dwg

Description

1. Область техники1. The technical field

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией. Способ разделения газов посредством короткоцикловой безнагревной адсорбции (аббревиатура КБА, иногда встречается аббревиатура КЦА) основан на свойстве отдельных химических веществ-сорбентов избирательно сорбировать модекулы определенных газов вследствие того, что либо сорбционная емкость адсорбента (например для цеолитов), либо скорость адсорбции (например для углеродных молекулярных сит) у хорошо сорбируемых газов в несколько раз и даже десятков раз превышает аналогичные параметры для других газов. Адсорбция проводится при повышенном давлении, а десорбция производится посредством снижения давления в адсорбере и удаления из него десорбированных компонентов газовой смеси.The invention relates to methods for separating gas mixtures by short-cycle non-heating adsorption. The method of gas separation by means of short-cycle non-heating adsorption (abbreviation CBA, sometimes abbreviated CCA) is based on the property of individual sorbent chemicals to selectively sorb specific gas models due to either the sorption capacity of the adsorbent (for example, for zeolites) or the adsorption rate (for example, for carbon molecular sieves) in well-adsorbed gases several times, and even tens of times, exceed similar parameters for other gases. Adsorption is carried out at elevated pressure, and desorption is carried out by reducing the pressure in the adsorber and removing the desorbed components of the gas mixture from it.

Способ разделения газовых смесей короткоцикловой безнагревной адсорбцией (КБА) широко используется для получения одного или нескольких целевых газов из бинарных и многокомпонентных газовых смесей, в частности при производстве азота, кислорода и аргона из атмосферного воздуха, при выделении водорода из водородосодержащего газа, при осушке газа от водяных паров, а также в различных физико-химических промышленных и исследовательских процессах. Для избирательного поглощения газов используются различные виды и марки адсорбентов (цеолиты, углеродные молекулярные сита и др.).The method of separation of gas mixtures by short cycle adsorption-free adsorption (CBA) is widely used to produce one or more target gases from binary and multicomponent gas mixtures, in particular, in the production of nitrogen, oxygen and argon from atmospheric air, during the evolution of hydrogen from a hydrogen-containing gas, during gas dehydration from water vapor, as well as in various physicochemical industrial and research processes. For the selective absorption of gases, various types and brands of adsorbents (zeolites, carbon molecular sieves, etc.) are used.

2. Уровень техники2. The level of technology

Из известных некриогенных способов разделения многокомпонентных газовых смесей, таких как атмосферный воздух или водородосодержащие газы, в настоящее время промышленно освоены способ короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) и способ мембранного разделения газов, основанный на различных скоростях проникновения отдельных газов через мембрану. Способ КБА является технологически более сложным, чем мембранный способ разделения газовых смесей, что обусловлено необходимостью постоянного переключения потоков через адсорберы, но позволяет достигать большей чистоты целевого газа или смеси, чем способ мембранного разделения газов. Например, при выделении из атмосферного воздуха целевой азотно-аргоновой смеси в установке короткоцикловой безнагревной адсорбции концентрация остаточного кислорода может быть снижена до 0,001%, что многократно выше, чем реально достижимая при применении мембранного метода концентрация остаточного кислорода, составляющая около 0,5%. При выделении азота из атмосферного воздуха недостатками промышленно освоенных установок КБА по отношению к установкам мембранного разделения газа являются: неравномерность потребления исходного газа и выдачи продукционного газа, сложная система автоматизации, повышенный расход исходного газа и меньшая степень извлечения целевого компонента из газовой смеси. Однако для производства малых и средних объемов кислородно-аргоновой смеси из атмосферного воздуха, установки КБА являются единственным промышленно освоенным решением, так как мембранные методы не позволяют достигать обогащения целевой смеси кислородом свыше 50% объемной концентрации, при этом поток обогащенного кислородом газа выходит из газоразделительной мембраны под низким давлением.Of the known non-cryogenic methods for separating multicomponent gas mixtures, such as atmospheric air or hydrogen-containing gases, a method of short-cycle non-heating adsorption (CBA) and a membrane gas separation method based on various rates of penetration of individual gases through a membrane are currently industrially mastered. The KBA method is technologically more complex than the membrane method of separating gas mixtures, which is due to the need for constant switching of flows through adsorbers, but allows to achieve greater purity of the target gas or mixture than the method of membrane gas separation. For example, when the target nitrogen-argon mixture is extracted from atmospheric air in a short-cycle non-heating adsorption unit, the concentration of residual oxygen can be reduced to 0.001%, which is many times higher than the concentration of residual oxygen actually achievable using the membrane method, which is about 0.5%. When nitrogen is extracted from atmospheric air, the disadvantages of industrially developed KBA plants with respect to membrane gas separation plants are: uneven consumption of the source gas and the production of production gas, a complex automation system, increased consumption of the source gas and a lower degree of extraction of the target component from the gas mixture. However, for the production of small and medium volumes of an oxygen-argon mixture from atmospheric air, KBA installations are the only industrially developed solution, since membrane methods do not allow enrichment of the target mixture with oxygen over 50% volume concentration, while the flow of oxygen-enriched gas leaves the gas separation membrane under low pressure.

Для разделения атмосферного воздуха традиционно применяются хорошо изученные и промышленно освоенные схемы установок КБА, содержащие два адсорбера, в которых попеременно один адсорбер находится в режиме адсорбции под повышенным давлением, а другой - в режиме десорбции при пониженном давлении. Степень обогащения целевого компонента и производительность двухадсорберной схемы доведены до практически достижимого предела (см. пат. США №4925461; пат. США №4548799; пат. США №4948391). Дальнейшее увеличение производительности и степени извлечения целевых компонентов в двухадсорберной схеме возможно путем применения дополнительных устройств и систем, не касающихся базовых принципов способа КБА, например, дополнение КБА газоразделительной мембраной (например патент РФ №2169605).To separate atmospheric air, well-studied and industrially developed schemes of CBA plants are traditionally used, containing two adsorbers in which one adsorber is alternately in the adsorption mode under increased pressure and the other in the desorption mode under reduced pressure. The degree of enrichment of the target component and the performance of the two-adsorber circuit are brought to the practically attainable limit (see US Pat. No. 4,925,461; US Pat. No. 4,548,799; US Pat. No. 4,948,391). A further increase in the productivity and degree of extraction of the target components in a two-adsorber circuit is possible by using additional devices and systems that are not related to the basic principles of the KBA method, for example, supplementing the KBA with a gas separation membrane (for example, RF patent No. 2169605).

Для разделения многокомпонентных газовых смесей известны решения, содержащие большее количество адсорберов, находящихся в различных стадиях регенерации и обогащения, например четырехадсорберная схема (патент США №4070161) или схема, содержащая 9 адсорберов, используемая для разделения водородосодержащего газа (см. патент США №5133785). Разделение исходной смеси, согласно этим патентам, проводят в многокорпусных адсорбционных установках, связанных друг с другом внутренними рециклами потоков, обеспечивающимися применением дополнительного насосно-компрессорного оборудования. Большое количество адсорберов, сложные связи между ними, наличие дорогостоящего дополнительного оборудования - практически исключают повторяемость решений и ограничивает сферу применения таких установок использованием на крупнотоннажных химических производствах, нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах. В связи с этим многоадсорберные схемы КБА встречаются в единичных экземплярах, обычно специализированы для разделения водородосодержащих газов и не нашли промышленного применения в задачах воздухоразделения.For the separation of multicomponent gas mixtures, solutions are known that contain a larger number of adsorbers at various stages of regeneration and enrichment, for example, a four-adsorber circuit (US Pat. No. 4,070,161) or a circuit containing 9 adsorbers used to separate hydrogen-containing gas (see US Pat. No. 5,131,785). . The separation of the initial mixture, according to these patents, is carried out in multi-case adsorption units connected to each other by internal flow recycles, which are ensured by the use of additional pump-compressor equipment. A large number of adsorbers, complex connections between them, the presence of expensive additional equipment virtually eliminate the repeatability of solutions and limits the scope of such installations to use in large-capacity chemical plants, oil refineries and gas refineries. In this regard, multi-adsorber CBA schemes are found in single copies, they are usually specialized for the separation of hydrogen-containing gases and have not found industrial application in air separation problems.

Традиционно применяемая для разделения воздуха двухадсорберная схема КБА базируется на известных патентах США, в частности №4925461; пат. США №4548799. Двухадсорберная схема КБА (см. Фиг. 1), имеет ряд неустранимых недостатков, связанных с организацией циклов адсорбции и десорбции. Работа схемы осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух сжимается компрессором 1, работающим в паре с ресивером 2, проходит систему подготовки 3, где производится как минимум очистка воздуха от механических примесей и капельной жидкости, как максимум - снижение температуры точки росы по воде (в задачах, где требуется высокочистый выходной продукт). Далее через обратный клапан 4 и один из питающих клапанов 5 или 7, воздух подается в один из адсорберов 11 или 12, после чего через один из клапанов 13 или 14, поступает в выходной ресивер 18, из которого через обратный клапан 19 и клапан 20 подается к потребителю. В то же время один из адсорберов 11 или 12 находится в режиме десорбции. При достижении адсорбентом насыщения, циклически производится переключение адсорберов, которое начинается с фазы перепуска, в ходе которой газ из адсорбера, находящегося под более высоким давлением (в начале фазы десорбции), через клапаны 9, 15 и дросселирующие соединения 10, 16, поступает в адсорбер, находящийся под более низким давлением (в начале фазы подъема давления). По окончании фазы перепуска, клапаны 9, 15 закрываются, открывается один из клапанов 6, 8, через который газ десорбции выводится из регенерируемого адсорбера и сбрасывается через глушитель 21 в атмосферу. Для повышения эффективности десорбции на линии сброса может быть установлен вакуумный насос, снижающий давление в конце фазы десорбции ниже атмосферного давления. Десорбирующийся из слоя адсорбента газ вытесняется из адсорбера частью продукционного газа, поступающего через дросселирующее соединение 17. Подъем давления в находящемся в фазе подъема давления адсорбере осуществляется продукционным газом через один из клапанов 13, 14. Для разделения атмосферного воздуха типичный полуцикл адсорбции состоит из периода подъема давления в адсорбере и периода продуцирования. Выполняющийся параллельно полуцикл десорбции состоит из перепуска части газа из одного адсорбера в другой и дальнейшей десорбции со сбросом давления до давления принимающего источника, при одновременной продувке адсорбера частью продуктового газа. Перепуск принято проводить одновременно по верхней и нижней линиям перепуска. Режим перепуска ограничивается по времени, для исключения перепуска газа, обогащенного высокосорбирующимся компонентом. Наличие периодов, в которых не производится потребление исходного газа и не продуцируется подготовленный газ, приводят к необходимости предусматривать на сырьевом и на подготовленном газе ресиверы 2 и 18. Для обеспечения приемлемой равномерности потоков объем ресивера исходного газа 2 как правило, превышает объем единичного адсорбера. Объем продукционного ресивера 18 принимается аналогичным объему ресивера исходного газа 2 или еще большим (для установок с обеспечением высокой чистоты продукта), так как его емкость должна быть достаточной для обеспечения быстрого подъема давления в адсорбере, желательно без прекращения при этом подачи продукционного газа потребителю. Объем ресиверов, как правило, является определяющим в габаритах установки. Большой объем ресивера исходного газа приводит к увеличению времени его заполнения при запуске компрессора. Большой объем ресивера продукционного газа приводит к длительному режиму работы установки со сбросом некондиционного газа, в течение которого воздух в ресивере постепенно разбавляется продуктовым газом. Кроме этого, несмотря на наличие ресиверов, в связи с резким увеличением потребления газа от компрессора при подъеме давления в адсорбере, производительность питающего компрессора в этот период повышается по отношению к номинальной (увеличение на 20-30%), что приводит к необходимости предусматривать переразмеренный на 20-30% компрессор. Работа компрессора в режиме переменной производительности приводит к более высоким эксплуатационным затратам и снижению ресурса компрессора. Следует отметить, что необходимость в двухадсорберной схеме КБА иметь короткое время подъема давления в адсорбере приводит к существенному снижению эффективности адсорбции, так как при высоких скоростях подъема давления происходит принудительный занос и "запирание" в адсорбенте малосорбирующегося компонента газовой смеси. Кроме этого, чрезмерная скорость роста и снижения давления связана с высокими скоростями газа в адсорбере, что приводит к уменьшению срока службы сорбента в связи с его истиранием. В промышленных двухадсорберных установках КБА для ограничения скоростей газа в адсорберах обычно применяются дросселирующие соединения или заужение проходных сечений на питающем и подготовленном потоках. В связи с этим рабочее давление в адсорбере и давление продукционного потока ощутимо ниже, чем давление источника исходного газа. Так, в двухадсорберном генераторе азота со входным давлением 0,8 МПа, давление в адсорбере при продуцировании составит до 0,7 МПа, а давление продукционного газа - около 0,6 МПа. Таким образом, происходит некоторое снижение эффективности разделения и непроизводительные потери энергии сжатого газа.The two-adsorbent KBA scheme traditionally used for air separation is based on well-known US patents, in particular No. 4925461; US Pat. U.S. No. 4,548,799. The dual adsorption scheme of the CBA (see Fig. 1) has a number of fatal disadvantages associated with the organization of adsorption and desorption cycles. The operation of the circuit is as follows. Atmospheric air is compressed by a compressor 1, which is paired with a receiver 2, passes through a preparation system 3, where at least air is cleaned of mechanical impurities and droplet liquid, and as a maximum, the water dew point temperature is reduced (in tasks where a high-purity output product is required) . Then, through the check valve 4 and one of the supply valves 5 or 7, air is supplied to one of the adsorbers 11 or 12, after which it passes through one of the valves 13 or 14 to the output receiver 18, from which it is supplied through the check valve 19 and the valve 20 to the consumer. At the same time, one of the adsorbers 11 or 12 is in desorption mode. When the adsorbent reaches saturation, the adsorbers are switched cyclically, which begins with the bypass phase, during which the gas from the adsorber, which is under a higher pressure (at the beginning of the desorption phase), enters the adsorber through valves 9, 15 and throttling connections 10, 16 being under lower pressure (at the beginning of the pressure rise phase). At the end of the bypass phase, the valves 9, 15 are closed, one of the valves 6, 8 opens, through which the desorption gas is removed from the regenerated adsorber and discharged through the muffler 21 into the atmosphere. To increase the desorption efficiency, a vacuum pump can be installed on the discharge line, which reduces the pressure at the end of the desorption phase below atmospheric pressure. The gas adsorbed from the adsorbent layer is displaced from the adsorber by a part of the production gas flowing through the throttling compound 17. The pressure in the adsorber in the phase of pressure rise is increased by production gas through one of the valves 13, 14. A typical adsorption half-cycle consists of a period of pressure rise to separate atmospheric air. in the adsorber and the production period. The desorption half-cycle running in parallel consists of transferring a part of the gas from one adsorber to another and further desorbing with depressurization to the pressure of the receiving source, while at the same time purging the adsorber with part of the product gas. Bypass is usually carried out simultaneously on the upper and lower bypass lines. The bypass mode is limited in time to avoid bypassing the gas enriched in the highly sorbed component. The presence of periods in which no consumption of the source gas is made and no prepared gas is produced leads to the need to include receivers 2 and 18 on the raw and prepared gas. To ensure acceptable uniformity of flows, the volume of the source gas 2 receiver usually exceeds the volume of a single adsorber. The volume of the production receiver 18 is assumed to be the same as the volume of the source gas receiver 2 or even larger (for installations with high purity of the product), since its capacity should be sufficient to ensure a rapid increase in pressure in the adsorber, preferably without interrupting the supply of production gas to the consumer. The volume of the receivers, as a rule, is decisive in the dimensions of the installation. A large volume of the source gas receiver leads to an increase in its filling time when the compressor starts. A large volume of the production gas receiver leads to a long operation mode of the installation with the discharge of substandard gas, during which the air in the receiver is gradually diluted with the product gas. In addition, despite the presence of receivers, due to a sharp increase in gas consumption from the compressor when the pressure in the adsorber rises, the capacity of the supply compressor during this period increases relative to the nominal (an increase of 20-30%), which leads to the need to provide for oversized 20-30% compressor. Running the compressor in variable capacity mode leads to higher operating costs and lower compressor life. It should be noted that the need for a two-adsorbent CBA scheme to have a short time of pressure rise in the adsorber leads to a significant decrease in adsorption efficiency, since at high pressure rise rates there is a forced skid and “locking” of the low-adsorbed gas mixture component in the adsorbent. In addition, an excessive growth rate and a decrease in pressure are associated with high gas velocities in the adsorber, which leads to a decrease in the service life of the sorbent due to its abrasion. In commercial dual-adsorbent KBA installations, to restrict the gas velocities in adsorbers, throttling compounds or narrowing of the flow cross-sections on the supply and prepared flows are usually used. In this regard, the working pressure in the adsorber and the pressure of the production stream are significantly lower than the pressure of the source of the source gas. So, in a two-absorber nitrogen generator with an inlet pressure of 0.8 MPa, the pressure in the adsorber during production will be up to 0.7 MPa, and the pressure of the production gas is about 0.6 MPa. Thus, there is a slight decrease in separation efficiency and unproductive energy loss of compressed gas.

3. Краткое описание чертежей3. Brief description of the drawings

Для раскрытия существующего уровня техники представлен чертеж, Фиг. 1, на котором изображена схема традиционно применяемой для разделения воздуха двухадсорберной установки короткоцикловой безнагревной адсорбции. Перечень позиций: 1 - компрессор; 2, 18 - ресиверы; 3 - система подготовки газа (очистка, осушка); 4, 19 - обратные клапаны; 5, 6, 7, 8, 9, 13, 14, 15, 20 - клапаны; 10, 16, 17 - дросселирующие соединения; 21 - глушитель. Описание работы схемы дано в разделе "Уровень техники".To disclose the prior art, a drawing is shown, FIG. 1, which shows a diagram of a conventionally used for air separation two-adsorption installation of a short-cycle, non-heating adsorption. The list of items: 1 - compressor; 2, 18 - receivers; 3 - gas preparation system (cleaning, drying); 4, 19 - check valves; 5, 6, 7, 8, 9, 13, 14, 15, 20 - valves; 10, 16, 17 - throttling compounds; 21 - silencer. A description of the operation of the circuit is given in the section "Prior Art".

Для раскрытия настоящего изобретения представлен чертеж, Фиг. 2, на котором изображена схема трехадсорберной установки короткоцикловой безнагревной адсорбции. Перечень позиций: 22 - компрессор; 23, 46 - депульсаторы; 24 - система подготовки газа (очистка, осушка); 40,42,44, 47, 50 - обратные клапаны; 25, 26, 27, 28, 29, 30, 34, 36, 38, 48 - клапаны; 35, 37, 39, 41, 43, 45 - дросселирующие соединения; 49 - глушитель. Описание работы схемы дано в разделе "Осуществление изобретения".For the disclosure of the present invention, a drawing is shown, FIG. 2, which shows a diagram of a three-adsorber installation of short-cycle non-heating adsorption. List of items: 22 - compressor; 23, 46 - depulsators; 24 - gas preparation system (cleaning, drying); 40,42,44, 47, 50 - check valves; 25, 26, 27, 28, 29, 30, 34, 36, 38, 48 - valves; 35, 37, 39, 41, 43, 45 - throttling compounds; 49 - silencer. A description of the operation of the circuit is given in the section "Implementation of the invention."

4. Раскрытие изобретения4. Disclosure of invention

Настоящее изобретение разделения газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с использованием трех адсорбционных колонн заключается в следующем. Схема установки (см. Фиг. 2, детальное описание работы приведено в разделе "Осуществление изобретения”) состоит из источника давления, системы подготовки газа, трех идентичных адсорбционных колонн (адсорберов), системы переключающих клапанов, депульсаторов (то есть ресиверов небольшого объема). Поток разделяемой газовой смеси подвергают сжатию в компрессоре и пропускают через слой адсорбента в одном из трех параллельно соединенных адсорберов, в которых циклически и последовательно организованы режимы адсорбции и десорбции при повышении и понижении давления. Режимы повышения и понижения давления организованы с помощью переключения системы входных, продувочных и перепускных клапанов. Из трех адсорберов в каждый момент времени два находятся в режиме адсорбции хорошо сорбируемых компонентов газовой смеси, один находится в режиме десорбции ранее сорбированных компонентов газовой смеси.The present invention for the separation of gas mixtures by a short-cycle heatingless adsorption method using three adsorption columns is as follows. The installation diagram (see Fig. 2, a detailed description of the operation is given in the section "Implementation of the invention") consists of a pressure source, a gas treatment system, three identical adsorption columns (adsorbers), a system of switching valves, depulsators (that is, small receivers). The flow of the separated gas mixture is compressed in a compressor and passed through an adsorbent bed in one of three parallel-connected adsorbers, in which the adsorption and desorption modes are cyclically and sequentially organized with increasing and decreasing the pressure. Modes increase and pressure reduction are organized via the switching system input, purge and bypass valves. Of the three adsorbers at each time two are in the mode of adsorption are well sorbed gas mixture components, one is in the desorption mode the previously adsorbed components of the gas mixture.

Режим работы организован следующим образом: в каждый момент цикла один адсорбер находится в стадии адсорбции с выдачей продукционного газа потребителю, другой адсорбер - в стадии подъема давления и адсорбции с накоплением продукционного газа, третий адсорбер - в режиме десорбции, осуществляемом посредством снижения давления и отдувки продуктов десорбции частью продукционного газа. Циклически происходит переключение адсорберов таким образом, чтобы при достижении в продуцирующем адсорбере насыщения адсорбента хорошо сорбируемым компонентом, на продуцирование включался другой адсорбер с регенерированным адсорбентом, находящийся под давлением, близком к давлению продукционного газа, в то же время два других адсорбера включаются в фазу перепуска, а затем адсорбер с насыщенным адсорбентом переходит в фазу регенерации адсорбента, а адсорбер с регенерированным адсорбентом переходит в фазу подъема давления с одновременной адсорбцией хорошо сорбируемого компонента. В данном варианте достигается наибольшая равномерность потребления исходной газовой смеси и продуцирования целевой газовой смеси, при этом обеспечивается наименьшая скорость подъема давления в адсорберах.The operating mode is organized as follows: at each moment of the cycle, one adsorber is in the adsorption stage with the production gas being supplied to the consumer, the other adsorber is in the stage of pressure increase and adsorption with the accumulation of production gas, the third adsorber is in the desorption mode by reducing the pressure and blowing off the products desorption part of the production gas. The adsorbers are switched cyclically in such a way that when saturation of the adsorbent in the producing adsorber reaches a well-adsorbed component, another adsorber with regenerated adsorbent is switched on for production, being under pressure close to the pressure of the production gas, at the same time, two other adsorbers are included in the bypass phase, and then the adsorber with the saturated adsorbent goes into the regeneration phase of the adsorbent, and the adsorber with the regenerated adsorbent goes into the pressure rise phase at the same time ennoy adsorption well sorbed component. In this embodiment, the greatest uniformity of consumption of the source gas mixture and the production of the target gas mixture is achieved, while the lowest pressure rise rate in the adsorbers is ensured.

Указанная на фиг. 2 схема может применяться не только в задачах разделения атмосферного воздуха, но и в задачах разделения других газовых смесей.Referring to FIG. 2 scheme can be applied not only in the problems of separation of atmospheric air, but also in the problems of separation of other gas mixtures.

При сравнении традиционной схемы двухадсорберной воздухоразделительной установки КБА (Фиг. 1) и разработанной схемы трехадсорберной воздухоразделительной КБА (Фиг. 2) отмечается следующие технические результаты настоящего изобретения.When comparing the traditional scheme of the two-adsorption air separation plant KBA (Fig. 1) and the developed scheme of the three-adsorption air separation plant KBA (Fig. 2), the following technical results of the present invention are noted.

Во первых, трехадсорберная установка КБА для обеспечения стабильной работы не требует ресиверов большого объема, в отличие от двуахдсорберной установки КБА - для нее достаточно установки депульсаторов существенно меньшего объема для исключения влияния на процесс кратковременных пульсаций при переключениях клапанов. Это связано с тем, что процессы потребления сырьевого газа и выдачи продукционного газа в трехадсорберной схеме КБА происходят более равномерно и непрерывно, чем в двухадсорберной схеме КБА, где потребление сырьевого газа и выдача продукта прерываются на время перепуска газа, кроме этого выдача продукта сокращается при обратной подаче продукционного газа на подъем давления в адсорбере перед его подключением к источнику сырьевого газа.Firstly, the three-adsorber KBA installation does not require large-volume receivers to ensure stable operation, unlike the two-adsorber KBA installation, it is sufficient to install significantly lower volume depulsators to exclude the effect of short-term pulsations on valve switching. This is due to the fact that the processes of consumption of raw gas and the release of production gas in the three-adsorbent KBA scheme occur more uniformly and continuously than in the two-adsorber KBA scheme, where the consumption of raw gas and product delivery are interrupted for the time of gas bypass, in addition, the product output is reduced when the return supplying production gas to increase the pressure in the adsorber before connecting it to the source of raw gas.

Во вторых, время выхода трехадсорберной установки КБА на заданную чистоту продукционного газа меньше, чем у двухадсорберной установки КБА, в связи меньшим объемом продукционного ресивера. Это обусловлено тем, что время выхода установки на режим с заданной чистотой продукта определяется временем полного замещения исходной газовой смеси (в частности воздуха) в продукционном ресивере целевым газом, производящегося постепенным разбавлением газовой смеси в ресивере.Secondly, the time for the KBA three-adsorber unit to reach the specified purity of the production gas is shorter than for the KBA two-adsorber unit, due to the smaller volume of the production receiver. This is due to the fact that the time the unit enters the regime with a given purity of the product is determined by the time of complete replacement of the source gas mixture (in particular air) in the production receiver with the target gas, which is produced by gradual dilution of the gas mixture in the receiver.

В третьих, в связи с непрерывным и более стабильным потреблением сырьевого газа (воздуха) трехадсорберная установка КБА требует установки компрессора меньшей мощности, чем двухадсорберная установка КБА, при этом компрессор работает в более стабильном режиме, снижаются непроизводительные потери и эксплуатационные затраты, повышается ресурс работы компрессора.Third, due to the continuous and more stable consumption of raw gas (air), the KBA three-adsorber installation requires the installation of a compressor of lower power than the KBA two-adsorber installation, while the compressor operates in a more stable mode, unproductive losses and operating costs are reduced, and the compressor operating life is increased .

В четвертых, в трехадсорберной установке КБА повышается степень использования емкости адсорбента, так как в отличие от двухадсорберной установки КБА подъем давления в адсорбере производится относительно медленно, что уменьшает принудительный занос и "запирание" малосорбируемого компонента в сорбенте, характерное для двухадсорберных схем КБА, отличающихся высокой скоростью повышения давления.Fourth, the degree of utilization of the capacity of the adsorbent is increased in the three-adsorbed KBA installation, since, in contrast to the two-adsorbed KBA installation, the pressure rise in the adsorber is relatively slow, which reduces the forced skidding and “locking” of the low-adsorbed component in the sorbent, which is characteristic of the two-adsorbed KBA schemes, which are characterized by high rate of increase in pressure.

В пятых, в трехадсорберной установке КБА повышается выход продукционного газа за счет более полного использования газа в фазе перепуска, время которого в двухадсорберных установках искусственно ограничивается с целью исключения перепуска обогащенного хорошо сорбируемыми компонентами газа. В связи с отсутствием ограничения по времени в трехадсорберных установках КБА нет необходимости "нижнего" перепуска (осуществляется через клапан 9, см. Фиг. 1), а при использовании только "верхнего" перепуска (через клапаны 34, 36, 38, см. Фиг. 2), обогащенный хорошо сорбируемыми компонентамим газ практически не покидает пределов адсорбера, находящегося в стадии снижения давления и десорбции.Fifthly, in a three-adsorber KBA installation, the yield of production gas increases due to a more complete use of gas in the bypass phase, the time of which in two-absorber plants is artificially limited in order to prevent bypass of the gas enriched with well sorbed components. Due to the absence of a time limit in the three-adsorber units of the KBA, there is no need for a “lower” bypass (via valve 9, see Fig. 1), and when using only the “upper” bypass (through valves 34, 36, 38, see Fig. . 2), the gas enriched in well-sorbed components practically does not leave the limits of the adsorber, which is in the stage of pressure reduction and desorption.

В шестых, в трехадсорберной установке КБА снижается скорость истирания адсорбента в связи с существенно более низкой, чем в двухадсорберных установках, скоростью подъема давления в адсорберах.Sixth, in the three-adsorber KBA installation, the rate of abrasion of the adsorbent is reduced due to the significantly lower than in two-adsorber installations, the rate of pressure rise in the adsorbers.

В седьмых, в трехадсорберной установке КБА существенно снижается величина падения давления подготовленного газа по отношению к давлению сырьевого газа, так как в связи с малой разницей давления сырьевого газа и давления в адсорбере (перед открытием клапана на линии подачи сырьевого газа в адсорбер) нет необходимости установки на линиях подачи сырьевого газа дросселирующих соединений (либо заужения проходного сечения), традиционно применяемых в двухадсорберных установках для ограничения расхода сырьевого газа при его подаче в адсорбер. Таким образом, повышается давление адсорбции, при сохранении давления десорбции, что увеличивает степень использования полезной емкости адсорбента.Seventhly, in the KBA three-adsorber installation, the pressure drop of the prepared gas relative to the pressure of the feed gas is significantly reduced, since due to the small difference in the pressure of the feed gas and the pressure in the adsorber (before opening the valve on the feed gas line to the adsorber) there is no need to install on the feed gas supply lines of the throttling compounds (or narrowing the bore), traditionally used in two-adsorber installations to limit the flow of raw gas when it is supplied to the adsorber . Thus, the adsorption pressure increases, while maintaining the desorption pressure, which increases the degree of use of the useful capacity of the adsorbent.

В восьмых, в трехадсорберной установке КБА по сравнению с двухадсорберной установкой повышается степень извлечения целевого газа из сырьевого газа, что обусловлено повышением степени использования емкости адсорбента в связи с более медленным повышением давления и увеличением отношения давления адсорбции к давлению десорбции, а также обеспечивается более полным использованием газа в фазе перепуска.Eighth, in a three-adsorbent KBA installation, in comparison with a two-adsorber installation, the degree of extraction of the target gas from the feed gas increases, which is due to an increase in the utilization of the capacity of the adsorbent due to a slower increase in pressure and an increase in the ratio of adsorption pressure to desorption pressure, as well as more complete use gas in the bypass phase.

В девятых, в трехадсорберной установке КБА по сравнению с двухадсорберной установкой уменьшается потребный объем единичного адсорбера, при примерном сохранении общего количества адсорбента, требующегося для обеспечения заданной производительности установки. Это связано с тем, что, несмотря на меньший объем единичного адсорбера, в трехадсорберной установке процесс адсорбции идет одновременно в двух адсорберах, в отличие от двухадсорберной установки.Ninth, in a three-adsorber plant KBA, in comparison with a two-adsorber plant, the required volume of a single adsorber is reduced, while preserving the total amount of adsorbent required to ensure a given plant performance. This is due to the fact that, despite the smaller volume of a single adsorber, in a three-adsorber installation, the adsorption process occurs simultaneously in two adsorbers, in contrast to a two-adsorber installation.

В отношении сложности организации системы управления переключением клапанов следует отметить, что представленная на Фиг. 2 схема трехадсорберной установки КБА, где отображено минимальное количество управляемых от системы автоматизированного управления клапанов, содержит на 1 клапан больше, чем традиционная промышленно применяемая схема двухадсорберной КБА, представленная на Фиг. 1, что свидетельствует об отсутствии существенного усложнения и удорожания системы управления. При этом, по отношению к двухадсорберной установке, при прочих равных условиях в трехадсорберной установке КБА число циклов переключения клапанов снижается, что в целом повышает срок службы и надежность трехадсорберной установки.Regarding the complexity of organizing the valve switching control system, it should be noted that the one shown in FIG. 2, a diagram of a three-adsorber KBA installation, which shows the minimum number of valves controlled from an automated control system, contains 1 valve more than the traditional industrially applied two-absorber KBA shown in FIG. 1, which indicates the absence of significant complication and appreciation of the control system. In this case, with respect to the two-adsorber installation, ceteris paribus in the three-adsorber installation KBA, the number of valve switching cycles is reduced, which generally increases the service life and reliability of the three-adsorber installation.

Таким образом, способ разделения газов короткоцикловой безнагревной адсорбцией с использованием трех адсорбционных колонн (адсорберов) имеет ряд существенных отличительных особенностей от способа КБА с использованием двух адсорбционных колонн, при этом трехадсорберная установка КБА характеризуется рядом сравнительных преимуществ по отношению к традиционной двухадсорберной воздухоразделительной установке КБА.Thus, the method of gas separation by short-cycle non-heating adsorption using three adsorption columns (adsorbers) has a number of significant distinctive features from the KBA method using two adsorption columns, while the three-adsorption apparatus KBA is characterized by a number of comparative advantages with respect to the traditional two-adsorption air separation plant KBA.

5. Осуществление изобретения5. The implementation of the invention

Осуществление настоящего изобретения разделения газовых смесей способом короткоцикловой безнагревной адсорбции с использованием трех адсорбционных колонн иллюстрируется схемой трехадсорберной установки КБА для разделения атмосферного воздуха (см. Фиг. 2). Работа схемы осуществляется следующим образом: атмосферный воздух сжимается компрессором 22, работающим в паре с депульсатором 23, проходит систему подготовки 24, где производится как минимум очистка воздуха от механических примесей и капельной жидкости, как максимум - снижение температуры точки росы по воде (в задачах, где требуется высокочистый выходной продукт). Далее через обратный клапан 50 и один из питающих клапанов 25, 27 или 29 воздух подается в один из адсорберов 31, 32 или 33, после чего через один из обратных клапанов 40, 42 или 44 (и частично через одно из дросселирующих соединений 41, 43, 45) поступает в выходной депульсатор 46, из которого через обратный клапан 47 и клапан 48 подается к потребителю. В то же время один из адсорберов 31, 32 или 33 находится в режиме десорбции. Режим десорбции и режим подъема давления характеризуются наличием в начале этих режимов фазы перепуска, в ходе которой газ из адсорбера, находящегося под более высоким давлением (в начале периода десорбции), через один из клапанов 24, 26 или 28 и соответствующее дросселирующее соединение 35, 37 или 39 поступает в адсорбер, находящийся под более низким давлением (в начале периода подъема давления). По окончании фазы перепуска клапаны 34, 36 или 38 закрываются, открывается один из клапанов 26, 28, 30, через который газ десорбции выводится из регенерируемого адсорбера и сбрасывается через глушитель 49 в атмосферу. Для повышения эффективности десорбции на линии сброса может быть установлен вакуумный насос, снижающий давление в конце фазы десорбции ниже атмосферного давления. Десорбирующийся из слоя адсорбента газ вытесняется из адсорбера частью продукционного газа, поступающего через одно из дросселирующих соединений 41, 43 или 45. Подъем давления в находящемся в периоде подъема давления адсорбере осуществляется продукционным газом через одно из дросселирующих соединений 41, 43 или 45, а также при технологической целесообразности - путем открытия одного из клапанов 34, 36, 38, через соотвествующее дросселирующее соединение 35, 37 или 39. Рекомендуется осуществлять подъем давления до величины, составляющей около 90% от величины давления в выходном депульсаторе 46. Скорость подъема давления следует выбирать такой, при которой сохраняется газообмен между адсорбентом и газом и не происходит принудительный занос и "запирание" малосорбируемого компонента в сорбенте. В процессе подъема давления происходит адсорбция хорошо сорбируемых компонентов газовой смеси, благодаря чему в конце фазы подъема давления адсорбер заполнен чистым продукционным газом с давлением, близким к давлению продукционного газа на выходе из установки. Благодаря этому, при подключении заполненного адсорбера к источнику сжатого воздуха путем открытия одного из клапанов 25, 27 или 29, происходит быстрый и практически безударный подъем давления в адсорбере до величины, при которой продукционный газ через один из обратных клапанов 40, 42, 44 начинает поступать в депульсатор 46 и далее - к потребителю. При достижении насыщения адсорбента в адсорбере хорошо сорбируемым газом адсорбер переводится в режим десорбции, затем в режим подъема давления, таким образом, описанные выше переключения адсорберов циклически повторяются.The implementation of the present invention, the separation of gas mixtures by the method of short-cycle heating without adsorption using three adsorption columns is illustrated by the scheme of the three-adsorption unit KBA for the separation of atmospheric air (see Fig. 2). The operation of the circuit is as follows: atmospheric air is compressed by a compressor 22, paired with a depulsator 23, undergoes a preparation system 24, where at least air is cleaned of mechanical impurities and droplet liquid, and the maximum is a decrease in water dew point temperature (in tasks, where a high-purity output product is required). Further, through the check valve 50 and one of the supply valves 25, 27 or 29, air is supplied to one of the adsorbers 31, 32 or 33, after which it is supplied through one of the check valves 40, 42 or 44 (and partially through one of the throttling connections 41, 43 , 45) enters the outlet depulsator 46, from which through the check valve 47 and valve 48 is supplied to the consumer. At the same time, one of the adsorbers 31, 32 or 33 is in desorption mode. The desorption mode and the pressure rise mode are characterized by the presence of a bypass phase at the beginning of these modes, during which the gas from the adsorber under a higher pressure (at the beginning of the desorption period) through one of the valves 24, 26 or 28 and the corresponding throttling connection 35, 37 or 39 enters the adsorber under a lower pressure (at the beginning of the pressure rise period). At the end of the bypass phase, the valves 34, 36 or 38 are closed, one of the valves 26, 28, 30 opens, through which the desorption gas is removed from the regenerated adsorber and discharged through the silencer 49 into the atmosphere. To increase the desorption efficiency, a vacuum pump can be installed on the discharge line, which reduces the pressure at the end of the desorption phase below atmospheric pressure. The gas desorbed from the adsorbent layer is displaced from the adsorber by a part of the production gas flowing through one of the throttling compounds 41, 43 or 45. The pressure rise in the adsorber located in the period of pressure rise is carried out by the production gas through one of the throttling compounds 41, 43 or 45, as well as technological expediency - by opening one of the valves 34, 36, 38, through the corresponding throttling connection 35, 37 or 39. It is recommended to increase the pressure to a value of about 90% of the weight Pressure in the output Ichin depulsators 46. The pressure rise rate should be chosen such that also allows gas exchange between the gas and the adsorbent and not be forcibly skid and "locking" malosorbiruemogo component in the sorbent. During the pressure rise, the adsorbed components of the gas mixture are adsorbed, due to which, at the end of the pressure rise phase, the adsorber is filled with pure production gas with a pressure close to the pressure of the production gas at the outlet of the installation. Due to this, when a filled adsorber is connected to a source of compressed air by opening one of the valves 25, 27 or 29, a rapid and almost shock-free rise in pressure occurs in the adsorber to a value at which production gas begins to flow through one of the check valves 40, 42, 44 to the depulsator 46 and further to the consumer. When saturation of the adsorbent in the adsorber with a well-adsorbed gas is achieved, the adsorber is transferred to the desorption mode, then to the pressure rise mode, thus, the above-described switchings of the adsorbers are cyclically repeated.

Разделение атмосферного воздуха является наиболее часто встречающейся задачей установок КБА. Атмосферный воздух состоит из следующих основных компонентов: азот 78%, кислород 20,9%, аргон 0,9% объема. Методами короткоцикловой безнагревной адсорбции, как правило, выделяют либо обедненную, либо обогащенную кислородом газовую смесь.Separation of atmospheric air is the most common task of CBA installations. Atmospheric air consists of the following main components: nitrogen 78%, oxygen 20.9%, argon 0.9% of the volume. Short-cycle adsorption-free adsorption methods, as a rule, emit either a depleted or oxygen-enriched gas mixture.

Для получения продукционного газа с малым содержанием остаточного кислорода адсорберы 31, 32 и 33 заполняют в качестве адсорбента углеродным молекулярным ситом с диаметром пор 4 ангстрем (0,4 нм), изготовленным в виде гранул с большим количеством внутренних пор. В связи с тем, что размеры молекулы кислорода несколько меньше диаметра пор молекулярного сита, а размеры молекул азота и аргона несколько больше размера молекул кислорода и диаметра пор, при подъеме давления газовой смеси в адсорберах скорость поглощения кислорода существенно выше, чем скорость поглощения азота и аргона. В данном случае кислород является хорошо сорбируемым компонентом, а азот и аргон являются малосорбируемыми компонентами газовой смеси. Процесс адсорбции обычно ведут под давлением 0,6-0,8 МПа изб., так как на практике давление адсорбции ограничено величиной примерно 1,0 МПа изб., что обусловлено механической прочностью внутренней структуры адсорбента, способной выдержать ограниченный перепад давлений между внутригранульным пространством и пространством вне гранул. Время пропускания через адсорбент исходной газовой смеси до его насыщения кислородом составляет от 30 до 120 секунд, в зависимости от размера применяемых гранул адсорбента. Процесс десорбции обычно ведут утем снижения давления до атмосферного, при этом ранее накопленный во внутренних порах адсорбента кислород под действием остаточного давления внутри гранул молекулярного сита вытесняется из внутреннего пространства гранул и выдувается из адсорберов частью продуктового газа. Для установки с входным давлением питающего источника 0,8 МПа и давлением целевого продукта 0,6 МПа, технология КБА позволяет получить продуктовую азотно-аргоновую смесь (содержание азота 98 об.%, содержание аргона около 1,2 об.%), в объеме около 30% от объема исходного воздуха. При обеспечении более низких остаточных концентраций кислорода в продукционном газе производительность установки снижается, а также уменьшается отношение количества производимого продуктового газа к количеству исходного воздуха.To obtain a production gas with a low residual oxygen content, the adsorbers 31, 32 and 33 are filled as an adsorbent with a carbon molecular sieve with a pore diameter of 4 angstroms (0.4 nm), made in the form of granules with a large number of internal pores. Due to the fact that the size of the oxygen molecule is slightly smaller than the pore diameter of the molecular sieve, and the size of nitrogen and argon molecules is slightly larger than the size of the oxygen molecules and pore diameter, when the pressure of the gas mixture in the adsorbers is increased, the oxygen absorption rate is significantly higher than the absorption rate of nitrogen and argon . In this case, oxygen is a well-adsorbed component, and nitrogen and argon are low-adsorbed components of the gas mixture. The adsorption process is usually carried out at a pressure of 0.6-0.8 MPa gage, since in practice the adsorption pressure is limited to about 1.0 MPa gage, which is due to the mechanical strength of the internal structure of the adsorbent, which can withstand a limited pressure drop between the intragranular space and space outside the granules. The time the initial gas mixture passes through the adsorbent until it is saturated with oxygen is from 30 to 120 seconds, depending on the size of the adsorbent granules used. The desorption process is usually carried out by reducing the pressure to atmospheric pressure, while the oxygen previously accumulated in the inner pores of the adsorbent under the influence of the residual pressure inside the granules of the molecular sieve is displaced from the inner space of the granules and is blown out of the adsorbers by part of the product gas. For installation with an inlet pressure of the supply source of 0.8 MPa and a target product pressure of 0.6 MPa, the KBA technology allows to obtain a product nitrogen-argon mixture (nitrogen content of 98 vol.%, Argon content of about 1.2 vol.%), In volume about 30% of the volume of the source air. When lower residual oxygen concentrations in the production gas are ensured, the productivity of the installation decreases, and the ratio of the amount of produced product gas to the amount of source air decreases.

Для получения из атмосферного воздуха продукционного газа с повышенным содержанием кислорода адсорберы 31, 32 и 33 заполняют в качестве адсорбента синтетическим цеолитом, изготовленным в виде гранул с внутренней структурой, характеризующейся большей избирательной адсорбционной емкостью по азоту, чем по кислороду и аргону, благодаря чему сорбируются преимущественно молекулы азота. В данном случае азот является хорошо сорбируемым компонентом, а кислород и аргон являются малосорбируемыми компонентами газовой смеси. Процесс адсорбции обычно ведут с давлением сырьевого газа около 0,6 МПа, более высокие давления нецелесообразны вследствие эффекта нагрева цеолита при поглощении азота, усиливающегося при повышении давления и снижающего сорбционную емкость цеолита. Время пропускания через адсорбент исходной газовой смеси до его насыщения азотом составляет от 60 до 240 секунд, в зависимости от размера применяемых гранул цеолита. Процесс десорбции обычно ведут под давлением, близким к атмосферному давлению. Для установки с входным давлением питающего источника 0,6 МПа и давлением целевого продукта около 0,4 МПа технология КБА позволяет получить продуктовую кислородно-аргоновую смесь (содержание кислорода 95 об.%, содержание аргона около 5 об.%), в количестве 8-10% от объема исходного воздуха.To produce a production gas with a high oxygen content from atmospheric air, the adsorbers 31, 32, and 33 are filled as an adsorbent with synthetic zeolite made in the form of granules with an internal structure, characterized by a higher selective adsorption capacity for nitrogen than for oxygen and argon, due to which they are predominantly sorbed nitrogen molecules. In this case, nitrogen is a well sorbed component, and oxygen and argon are low sorbed components of the gas mixture. The adsorption process is usually carried out with a feed gas pressure of about 0.6 MPa, higher pressures are impractical due to the effect of heating the zeolite with the absorption of nitrogen, which increases with increasing pressure and reduces the sorption capacity of the zeolite. The transmission time of the initial gas mixture through the adsorbent until it is saturated with nitrogen is from 60 to 240 seconds, depending on the size of the zeolite granules used. The desorption process is usually carried out under pressure close to atmospheric pressure. For installation with an inlet pressure of the supply source of 0.6 MPa and a target product pressure of about 0.4 MPa, KBA technology allows to obtain a product oxygen-argon mixture (oxygen content of 95 vol.%, Argon content of about 5 vol.%), In the amount of 8- 10% of the volume of the source air.

Claims

A method of separating gas mixtures by short-cycle non-heating adsorption, including increasing the pressure of the flow of the separated gas mixture, passing it through the adsorbent bed in parallel connected adsorption columns, in which the pressure increase and decrease modes are cyclically and sequentially arranged, a stream enriched with the target gas component enriched and supplied to the consumer mixtures of the product from the high pressure column, and purging the column under reduced pressure, part of the enrichment stream one product, characterized in that three identical adsorption columns are used, of which at each instant two are in the adsorption mode of well-adsorbed components of the gas mixture, and one is in the mode of desorption of the previously adsorbed components of the gas mixture with their removal from the column, while two adsorption columns that are in the adsorption mode, through one supply the consumer with a production gas mixture enriched with slightly adsorbed components, while the other adsorption column ahoditsya gradual increase in pressure mode to a value close to the pressure source of the feed gas mixture to the adsorption well sorbed components of the gas mixture and accumulation in a column of production of the gas mixture.