SU471702A3

SU471702A3 - Air separation method

Info

Publication number: SU471702A3
Application number: SU1386742A
Authority: SU
Inventors: Тойяма Акира; Накако Йюкио; Наканиси Садайуки; Мики Хироету
Original assignee: Кобе Стил Лтд (Фирма)
Priority date: 1968-12-20
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1975-05-25

Description

1one

Изобретение относитс к способу выделени кислорода из воздуха, в частности к способу разделени воздуха и выделени кислорода методом адсорбции с помощью адсорбента дл удалени влаги, двуокиси углерода и азота, содержащихс в воздухе. Предлагаемый способ- это способ разделени воздуха дл непрерывного цолучени кислорода невысокой чистоты путем поглощени влаги и двуокиси углерода из воздуха ноглотител ми, снабженными двухслойными адсорбентами, а затем азота природным или синтетическим цеолитом .The invention relates to a method for separating oxygen from air, in particular, to a method for separating air and releasing oxygen by adsorption using an adsorbent to remove moisture, carbon dioxide and nitrogen contained in air. The proposed method is a method of air separation for the continuous extraction of low-purity oxygen by absorbing moisture and carbon dioxide from the air with absorbers equipped with two-layer adsorbents, and then nitrogen with natural or synthetic zeolite.

Известен способ выделени кислорода из воздуха адсорбционным методом с помощью адсорбционной аппаратуры с неподвижным слоем адсорбента. В аппарате с неподвижным слоем размер адсорбера увеличиваетс пропорционально интервалу цикла адсорбци - регенераци . Если нримен ют регенерацию нагреванием , то нагрев или охлаждение адсорбента занимает сравнительно много времени, цикл удлин етс , а размер апнаратуры увеличиваетс , что приводит к затруднени м при сооружении аппаратуры больщой производительности и удорожанию оборудовани .There is a method for separating oxygen from air by an adsorption method using a fixed-bed adsorbent apparatus. In a fixed-bed apparatus, the size of the adsorber increases in proportion to the adsorption-regeneration cycle interval. If regeneration by heating is applied, the heating or cooling of the adsorbent takes a relatively long time, the cycle is lengthened, and the size of the equipment increases, which makes it difficult to build equipment of greater productivity and increase the cost of equipment.

Цель изобретени - сокращение цикла разделени воздуха -но адсорбционному методу, состо щему из адсорбции, нагревани , регенерации и охлаждени ; при этом количество иснользуемого адсороента снижаетс , а размер адсорбционного аппарата становитс минимальным . Кроме того, цель изобретени - использование всего тепла адсорбции, генерируемого во врем адсорбции, в виде теплоты десорбции; при этом .количество тенла, которое должно подводитьс извне дл регенерации , значительно уменьщаетс .The purpose of the invention is the reduction of the air separation cycle in the adsorption method consisting of adsorption, heating, regeneration and cooling; however, the amount of adsorbent used is reduced, and the size of the adsorption unit becomes minimal. In addition, the purpose of the invention is to use all the heat of adsorption generated during adsorption, in the form of heat of desorption; however, the amount of tenla that must be supplied externally for regeneration is significantly reduced.

Это достигаетс за счет нодачи части продуктового кислорода низкой частоты в неподвижный слой в стадии регенерации адсорбента дл поглощени влаги и двуокиси углброда с последующим выделением его в видеThis is achieved by applying a low-frequency part of the product oxygen to a fixed bed during the regeneration stage of the adsorbent to absorb moisture and carbon-dioxide dioxide, followed by separation in the form of

продуктового кислорода низкой частоты, за счет подачи остатка кислорода ннзкой частоты в неподвижный слой в стадии охлаждени адсорбента поглощени влаги и двуокиси углерода , а затем присоединени этой части к потоку кислорода низкой частоты, выход щему из адсорбента дл адсорбции азота, и подачи азота, десорбируемого из неподвижного сло адсорбента адсорбции азота, наход щегос в цикле регенерации после нагревани , в неподвижный слой адсорбента адсорбции влаги и двуокиси углерода, наход щийс в стадии нагревани , а затем выброса его в атмосферу.low-frequency product oxygen, by supplying the residual oxygen of the lower frequency to the fixed bed during the cooling stage of the adsorbent to absorb moisture and carbon dioxide, and then attaching this part to the low-frequency oxygen stream leaving the adsorbent to adsorb nitrogen, and supplying nitrogen desorbed from a fixed bed of adsorbent adsorption of nitrogen, which is in the regeneration cycle after heating, into a fixed bed of adsorbent adsorption of moisture and carbon dioxide, which is in the heating stage, and then released about the atmosphere.

Иа чертеже приведена схема установки разделени воздуха, в которой может быть реализован предлагаемый способ.Fig. 1 is a diagram of an air separation unit in which the proposed method can be implemented.

Установка содержит блок дл поглощени влаги и двуокиси углерода, который состоит из четырех групп обычных адсорберов 1-4 с неподвижным слоем адсорбента. Каждый адсорбер снабжен подвод щей трубой 5 дл воздуха, подвод щей трубой 6 дл нагретых газов, выводной трубой 7 дл очищенного воздуха , выводной трубой 8 дл продуктового газа, оодвод щей трубой 9 дл продуктового газа и циркулирующего охлажденного газа, выводной трубой 10 дл циркулирующего газа дл охлаждени и выводной трубой 11 дл нагретых газов. Между каждым адсорбером и трубами установлены электромагнитные вентили , которые соединены с таймером таким образом, что каждый адсорбер может непрерывно выводить влагу и двуокись углерода при повторении четырех циклов, т. е. адсорбции , нагревани , регенерировани и охлаждени . В качестве адсорберов 12 и 13 дл азота примен ют обычные адсорберы с неподвижным слоем, причем они включены так, что адсорбци и регенераци в вакууме происход т непрерывно с помощью комбинации электромагнитных вентилей, приводимых таймером .The installation contains a unit for absorbing moisture and carbon dioxide, which consists of four groups of conventional adsorbers 1-4 with a fixed bed of adsorbent. Each adsorber is equipped with an inlet pipe 5 for air, an inlet pipe 6 for heated gases, an outlet pipe 7 for purified air, an outlet pipe 8 for product gas, an outlet pipe 9 for product gas and circulating cooled gas, an outlet pipe 10 for circulating gas for cooling and discharge pipe 11 for heated gases. Electromagnetic valves are installed between each adsorber and the pipes, which are connected to a timer so that each adsorber can continuously remove moisture and carbon dioxide by repeating four cycles, i.e. adsorption, heating, regeneration and cooling. As adsorbers 12 and 13 for nitrogen, conventional fixed-bed adsorbers are used, they are included so that adsorption and regeneration in vacuum occurs continuously using a combination of solenoid valves actuated by a timer.

Разделение воздуха но предлагаемому способу происходит следующим образом.The separation of air but the proposed method is as follows.

Природный воздух, содержащий влагу и двуокись углерода, после удалени из него пыли фильтром 14, ноступает по трубе 15 в воздуходувку 16 дл подн ти давлени до необходимой дл установки величины. Затем воздух через трубу 5 подают в один из адсорберов 1-4 дл поглощени -влаги и двуокиси углерода. Далее сырой воздух поступает в адсорбирующий слой, состо щий из двух слоев: сло А поглощени влаги и сло Б поглощени двуокиси углерода. Больща часть влаги удал етс при прохождении через слой А; оставша с часть влаги и двуокись углерода удал ютс при прохождении через слой Б. Когда адсорбционный слой поглотит 40-50% от емкости адсорбента по влаге, его переключают вентилем на нагревание IB следующей стадии. Теплота адсорбции, выдел ема в слое сорбента, наканливаетс в слое адсорбента; очищенный воздух выходит при температуре , близкой к температуре входа.Natural air containing moisture and carbon dioxide, after removing dust from it by filter 14, flows through pipe 15 to blower 16 to raise the pressure to the value required for installation. Air is then fed through pipe 5 to one of the adsorbers 1-4 for absorption of moisture and carbon dioxide. Next, the raw air enters the adsorbing layer consisting of two layers: moisture absorption layer A and carbon dioxide absorption layer B. Most of the moisture is removed when passing through layer A; the remaining part of the moisture and carbon dioxide are removed when passing through layer B. When the adsorption layer absorbs 40–50% of the capacity of the adsorbent in moisture, it is switched by valve to the next stage heating IB. The heat of adsorption released in the sorbent layer is blown into the adsorbent layer; purified air exits at a temperature close to the inlet temperature.

В стадии нагревани десорбируемый азот, нагретый в нагревателе 17, подают по трубе 6 ;в один из адсорберов 1-4. После нагревани части входной стороны слоев Б и А, удалени адсорбционного тепла, накопившегос в слое адсорбента, в секцию адсорбции влаги, образующуюс на входе воздуха в слой А, десорбции части адсорбировавшейс влаги и достижени ночтн такой же температуры, как и у сЫрого воздуха, одновременно с удержанием влаги и двуокиси углерода, азот выходит из установки. Больша часть адсорбированной двуокиси углерода в адсорбционном слое Б во врем этого процесса десорбируетс . При дальнейшем переключении вентилей осуществл ют регенерацию с помощью продуктового кислорода, поступающего по трубе 9. Регенерирующий поток идет через адсорбционный слой и дальше смещает высокотемпературную зону, образовавшуюс в адсорбционном слое за счет теплоты адсорбции в предыдущем цикле адсорбции при прохождении гор чего десорбированного азота в стадии нагревани , в секцию поглощени влаги на стороне входа воздуха и регенерации адсорбента . Продуктовый кислород выходит из аппарата при почти такой же температуре, как и на входе воздуха, и содержит десорбированную влагу и двуокись углерода. Адсорбцио )ный слой носле этого перевод т на стадню охлаждени .In the heating stage, the desorbed nitrogen heated in the heater 17 is fed through pipe 6 to one of the adsorbers 1-4. After heating part of the inlet side of layers B and A, removing the adsorption heat accumulated in the adsorbent layer, into the moisture adsorption section formed at the air inlet into layer A, desorbing part of the adsorbed moisture and reaching the same temperature as the fresh air, simultaneously with retention of moisture and carbon dioxide, nitrogen leaves the plant. Most of the adsorbed carbon dioxide in adsorption layer B is desorbed during this process. Upon further switching of the valves, regeneration is carried out using the product oxygen supplied through pipe 9. The regenerating stream passes through the adsorption layer and further displaces the high-temperature zone formed in the adsorption layer due to the heat of adsorption in the previous adsorption cycle during the passage of hot desorbed nitrogen in the heating stage , to the moisture absorption section on the air inlet side and adsorbent regeneration. Food oxygen leaves the apparatus at almost the same temperature as at the air inlet, and contains desorbed moisture and carbon dioxide. The adsorption layer is then transferred to a cooling herd.

, В стадии охлаждени часть продуктового газа, подлежащего циркул ции в виде охлаждающего газа, поступает в адсорбционный слой, полностью удал высокотемпературнуюIn the cooling stage, part of the product gas, which is to be circulated as a cooling gas, enters the adsorption layer, completely removing the high-temperature

зону, сохранившуюс в адсорбционном слое. Во врем этого процесса оставша с влага полностью десорбируетс , и регенерацию и охлаждение адсорбционного сло заканчивают . Охлаждающий газ выходит при сравнительно высокой температуре и содержит очень небольшое количество влаги. Этот газ охлаждают в холодильнике 18 после прохождени через трубу 10, с помощью воздуходувки 19 через трубу 21 подают в осушитель 20, а затем через трубу 9 - на охлаждение. Вследствне очень низкой относительной влажности этого охлаждающего газа, природный или синтетический цеолит пригоден в качестве осушител .zone preserved in the adsorption layer. During this process, the remaining moisture is completely desorbed, and the regeneration and cooling of the adsorption layer is completed. The cooling gas exits at a relatively high temperature and contains a very small amount of moisture. This gas is cooled in the refrigerator 18 after passing through the pipe 10, with the help of the blower 19 through the pipe 21 is fed to the desiccant 20, and then through the pipe 9 - to the cooling. Due to the very low relative humidity of this cooling gas, a natural or synthetic zeolite is suitable as a drying agent.

Воздух, очищенный в адсорберах дл поглощени влаги и двуокиси углерода, подают по трубе 7 в один из адсорберов 12 или 13 с неподвижным слоем, конструкци которых аналогична конструкции адсорберов дл поглощени влаги и двуокиси углерода. Каждый адсорбер снабжен набивкой из нриродного или синтетического цеолита, который может адсорбировать большее количество азота, чем кислорода при температуре, близкой к нормальной . При прохождении очищенного воздуха через адсорбирующий слой азот из воздуха поглощаетс , а оставшийс воздух обогащаетс кислородом. Этот воздух вывод т в виде продуктового кислорода через трубу 9 иAir purified in adsorbers to absorb moisture and carbon dioxide is fed through pipe 7 to one of the fixed bed adsorbers 12 or 13, the design of which is similar to that of adsorbers to absorb moisture and carbon dioxide. Each adsorber is equipped with a packing of natural or synthetic zeolite, which can adsorb more nitrogen than oxygen at a temperature close to normal. With the passage of purified air through the adsorbing layer, nitrogen is absorbed from the air and the remaining air is enriched with oxygen. This air is discharged in the form of product oxygen through pipe 9 and

подают на регенерацию в адсорберы 1-4 дл адсорбции влаги и двуокиси углерода, и иаконец вывод т в виде продуктового кислорода через трубу 8. С другой стороны, азот адсорбированный в адсорбционном слое азотногоare fed for regeneration to adsorbers 1-4 for adsorption of moisture and carbon dioxide, and finally they are removed as product oxygen through pipe 8. On the other hand, nitrogen adsorbed in the adsorption layer of nitrogen

адсорбера, десорбируют адиабатически при пониженном давлении вакуум-насосом 22 и выбрасывают через трубу 23 на стадию нагрева в адсорберы дл поглощени влаги и двуокиси углерода через трубу 24, нагреватель 17adsorber, desorb adiabatically under reduced pressure with a vacuum pump 22 and throw it through pipe 23 into the heating stage into adsorbers to absorb moisture and carbon dioxide through pipe 24, heater 17

и трубу 6, и наконец, выбрасывают, как ненужный азот, через трубу 11 в атмосферу. Кроме того, если требуетс получение кислорода низкой чистоты без влаги и двуокиси углерода , то часть его можно отбирать из трубы 25. Таким образом, предлагаемый способ получени кислорода низкой чистоты обеспечивает .следуюпдие преимущества: Во-первых, в качестве аппаратов дл поглощени влаги и двуокиси азота и аппарата дл поглощени азота примен ют обычпые адсорберы с неподвижным слоем. Вследствие особенностей адсорбции и регенерации в аппарате дл поглощени влаги и двуокиси углерода, цикл адсорбции , нагревани , регенерации и охлаждени может быть значительно сокращен; при этом количество адсорбента и размер аппаратов уменьшаютс до менее Vio от обычных и, кроме того, процесс может быть осуществлен непрерывно . Во-вторых, благодар применению адсорбционных аппаратов непрерывного действи с неподвижным слоем Схема потоков ресьма проста; работа и ремонт нри этом облегчены . В-третьих, носкольку выдел юща с теплота адсорбции при поглощении влаги эффективно утилизируетс дл десорбции, дл нагревани и регенерации требуетс .подводить извне только небольплое количество тепла. В-четвертых, носкольку продуктовый кислород л десорбированный азот не содержат влаги и двуокисн углерода и примен ютс в качестве регенерационного газа дл адсорбента влаги и двуокиси углерода, стоимость расходуемой энергии значительно сокращаетс . И, наконец, ,в-ц тых, поскольку высокотемнературна зона , образующа с десорбируемым азотом, нагреваемым в процессе нагревани аппарата адсорбции влаги и двуокиси углерода, перемещаетс по адсорбирующему слою во врем регенерации и охлаждени , влага и двуокись углерода могут быть полностью адсорбированы . Предмет изобретени Способ разделени воздуха, включающий удаление из воздуха влаги и двуокиси углерода , путем адсорбции на неподвижном адсорбенте дл влаги и двуокисн углерода, где чередуютс стадии адсорбции, нагревани , регенерации и охлаждени и последующее удаление из очищенного воздуха азота путем адсорбции на неподвижном адсорбенте дл азота с -получением кислорода низкой чистоты, отличающийс тем, что, с целью сокращени времени осуществлени нол.ного цикла разделени и снижени количества используемого адсорбента, часть кислорода низ-кой чистоты подают в неподвижный слой адсорбента дл поглощени влаги и двуокиси углерода , наход щийс в цикле регенерации, и затем выдел ют в качестве продуктового кислорода низкой чистоты, остаток кислорода низкой чистоты подают в неподвижный слой адсорбента дл поглощени влаги п двуокиси углерода, наход щийс в цикле охлаждени , после чего его присоедин ют к кислороду низкой чистоты, выход щему из сло адсорбента дл адсорбции азота, а азот, десорбируемый из неподвижного сло адсорбента дл поглощени азота, наход щегос в цикле регенерации , после нагреванн подают в неподвижный слой адсорбента дл поглощени влаги и двуокиси углерода, наход щийс в цикле нагревани , и затем выбрасывают в атмосферу.and pipe 6, and finally, is discharged, as unwanted nitrogen, through pipe 11 into the atmosphere. In addition, if low-purity oxygen is required without moisture and carbon dioxide, then part of it can be taken from pipe 25. Thus, the proposed method for producing low-purity oxygen provides the following advantages: Firstly, as an apparatus for absorbing moisture and dioxide Nitrogen and Nitrogen Absorption Apparatus are conventional fixed bed adsorbers. Due to the characteristics of adsorption and regeneration in an apparatus for absorbing moisture and carbon dioxide, the cycle of adsorption, heating, regeneration and cooling can be significantly shortened; however, the amount of adsorbent and the size of the apparatus is reduced to less than Vio from the usual and, in addition, the process can be carried out continuously. Secondly, due to the use of fixed bed continuous adsorption apparatuses, the flow pattern is simple; Work and repairs are easier. Thirdly, so far the exothermic heat of adsorption when absorbing moisture is effectively utilized for desorption, for heating and regeneration it is required. To bring in from outside only a small amount of heat. Fourthly, as far as product oxygen and desorbed nitrogen do not contain moisture and carbon dioxide and are used as a regeneration gas for moisture and carbon dioxide adsorbent, the cost of the energy consumed is significantly reduced. Finally, firstly, since the high-thermal zone formed with the desorbing nitrogen heated during the heating of the moisture and carbon dioxide adsorption apparatus moves along the adsorbing layer during the regeneration and cooling, the moisture and carbon dioxide can be fully adsorbed. Object of the Invention A method of separating air, comprising removing moisture and carbon dioxide from air by adsorption on a stationary adsorbent for moisture and carbon dioxide, where the stages of adsorption, heating, regeneration and cooling alternate and the subsequent removal from nitrogen of purified air by adsorption on a stationary adsorbent for nitrogen with -the production of low-purity oxygen, characterized in that, in order to shorten the time for carrying out the zero separation cycle and reduce the amount of adsorbent used, part low-purity oxygen is supplied to the fixed bed of the adsorbent to absorb moisture and carbon dioxide in the regeneration cycle, and then recovered as low-purity product oxygen, the remaining low-purity oxygen is fed to the fixed bed of adsorbent to absorb moisture in carbon dioxide, in the cooling cycle, after which it is attached to low-purity oxygen leaving the adsorbent layer to adsorb nitrogen, and nitrogen desorbed from the fixed bed adsorbent to absorb nitrogen, Seeking in the regeneration cycle, after heating, it is fed into a fixed bed of adsorbent to absorb moisture and carbon dioxide that is in the heating cycle, and then is emitted into the atmosphere.