(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl5: B01D 53/04 (5 4 ) Urządzenie do rozdzielania gazów metodą absorpcyjno-desorpcyjną (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 15/92 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/94 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Mechaniki Precyzyjnej, W arszawą PL (72) Twórcy wynalazku: Jerzy Lenik, Warszawa, PL Janusz Grzyb, Warszawa, PL Zdzisław Leonowicz, Warszawa, PL Zbigniew Łukasiak, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: Foremski Lech, Instytut Mechaniki Precyzyjnej PL B1 (57) 1. Urządzenie do rozdzielania gazów metodą adsorpcyjno-desorpcyjną, przez selektywną adsorpcję oddzielanych składników mieszaniny gazowej pod podwyższonym ciśnieniem i desorpcję pod ciśnieniem obniżonym, zawierające kolumny wypełnione sorbentem, systemy zaworów na wlocie i wylocie z kolumn i sprężarkę gazu prowadzonego przez kolumny w celu rozdzielania, zn am ien n e ty m, że zawiera urządzenie (1 0 ) lub urządzenia (1 0, 1 1 ) mechaniczne przekształcające energię ciśnienia na energię ruchu obrotowego o wale obrotowym sprzężonym mechanicznie ze sprężarką (7) i połączone z każdą z kolumn przewodami gazowymi (21, 2 2, 18, 19) poprzez zawory (27, 28).

2 URZĄDZENIE DO ROZDZIELANIA GAZÓW METODĄ ADSORPCYJNO-DESORPCYJNĄ Z a s t r z e ż e n i a p a t e n t o w e 1. Urządzenie do rozdzielania gazów metodą adsorpcyjno-desorpcyjną, przez selektywną adsorpcję oddzielanych składników mieszaniny gazowej pod podwyższonym ciśnieniem i desorpcję pod ciśnieniem obniżonym, zawierające kolumny wypełnione sorbentem, systemy zaworów na wlocie i wylocie z kolumn i sprężarkę gazu prowadzonego przez kolumny w celu rozdzielania, z n a m i e n n e t y m, że zawiera urządzenie (10) lub urządzenia (10, 11) mechaniczne przekształcające energię ciśnienia na energię ruchu obrotowego o wale obrotowym sprzężonym mechanicznie ze sprężarką (7) i połączone z każdą z kolumn przewodami gazowymi (21, 22, 18, 19) poprzez zawory (27, 28). 2. Urządzenie według zastrz. 1, z n a m i e n n e t y m, że jako urządzenie przekształcające energię zawiera silnik pneumatyczny (10). 3. Urządzenie według zastrz. 1, z n a m i e n n e t y m, że jako urządzenie przekształcające energię zawiera pompę próżniową (11). 4. Urządzenie według zastrz. 1, z n a m i e n n e t y m, że jako urządzenie przekształcające energię zawiera silnik pneumatyczny łopatkowy (10). * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do rozdzielania gazów metodą adsorpcyjno-desorpcyjną. Urządzenie stosuje się zwłaszcza do rozdzielania powietrza na azot i tlen, przy jednoczesnym oddzielaniu pary wodnej. Urządzenie pracuje metodą cykliczną w systemie PSA (pressure swing adsorption), w którym adsorpcja przebiega pod wysokim ciśnieniem a desorpcja pod niskim. Znane jest z opisu patentowego St. Zjedn. Ameryki nr urządzenie do rozdzielania gazów metodą adsorpcyjno-desorpcyjną. Urządzenie składa się z kolumn wypełnionych stałym sorbentem, na którym pod ciśnieniem adsorbuje się azot i para wodna, natomiast desorpcja przebiega przy ciśnieniu obniżonym. Podczas desorpcji prowadzi się przepływ powietrza wzbogaconego w tlen przez złoża sorbenta. Znane urządzenie zawiera sprężarki i bardzo złożony system elektromagnetycznych zaworów odcinających i regulacyjnych zaworów kontrolnych. W znanych urządzeniach do rozdzielania gazów w systemie PSA nie ma możliwości odzyskiwania energii potencjalnej i kinetycznej sprężonych gazów. Około 70% energii włożonej do procesu traci się, odprowadzając sprężony azot do atmosfery. Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia oszczędniejszego energetycznie. Urządzenie do rozdzielania gazów metodą adsorpcyjno-desorpcyjną, przez selektywną adsorpcję oddzielanych składników mieszaniny gazowej pod podwyższonym ciśnieniem i desorpcję pod ciśnieniem obniżonym, zawierające kolumny wypełnione sorbentem, systemy zaworów na wlocie i wylocie z kolumn i sprężarkę gazu prowadzonego przez kolumny w celu rozdzielania według istoty wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera urządzenie bądź urządzenia mechaniczne przekształcające energię ciśnienia na energię ruchu obrotowego o wale obrotowym sprzężonym mechanicznie ze sprężarką gazu prowadzonego przez kolumny i połączone z każdą z kolumn przewodami gazowymi poprzez zawory. Urządzenie według wynalazku może zawierać silnik pneumatyczny w charakterze urządzenia przekształcającego energię. Urządzenie według wynalazku może zawierać pompę próżniową łopatkową w charakterze urządzenia przekształcającego energię. Wskazane jest aby jako silnik pneumatyczny urządzenie zawierało silnik pneumatyczny łopatkowy.

3 Zgodnie z wynalazkiem sprzężenie silnika pneumatycznego ze sprężarką i pompą próżniową może być zrealizowane za pomocą wspólnego wału obrotowego, na którym są osadzone te urządzenia. Dzięki opracowaniu urządzenia według wynalazku uzyskano co najmniej trzydziestoprocentowe obniżenie ilości energii niezbędnej do działania urządzenia w porównaniu z urządzeniem znanym, przy porównywalnych parametrach wydajności i sprawności rozdzielania. Opracowując urządzenie dokonano uproszczenia systemów przewodów i zaworów. Poniżej każdej kolumny przewód rozdziela się najwięcej na trzy przewody a na każdym jest jeden zawór odcinający. Zawory pracują w bardzo prostym systemie. Zawsze otwarty jest tylko jeden zawór pod jedną kolumną. Powyżej każdej kolumny przewód rozdziela się na dwa przewody i na jednym jest jeden zawór odcinający jednokierunkowo a na drugim zawór dławiący. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania. P r z y k ł a d I. Na rysunku fig. 1 pokazane jest urządzenie do rozdzielania powietrza na tlen i azot. Urządzenie składa się z układu 1 czterech kolumn adsorpcyjnych, agregatu 2 zasilającego urządzenie, systemu dolnego 3 przewodów i zaworów elektromagnetycznych znajdujących się poniżej układu 1 kolumn, systemu górnego 4 przewodów i zaworów elektromagnetycznych znajdujących się powyżej układu 1 kolumn i zbiornika 16 wyrównawczego. Układ 1 kolumn składa się z czterech kolumn 12, 13, 14 i 15 o długości 1,4 m i objętości 0,027 m3. Każda kolumna układu wypełniona jest adsorbentem selektywnym o wysokiej zdolności pochłaniania azotu, bardzo wysokiej zdolności pochłaniania pary wodnej i małej zdolności pochłaniania tlenu. Kolumny są wyposażone w elektryczne ogrzewacze złoża zasilane prądem zmiennym. Agregat zasilający składa się z dwóch silników 5 i 6, sprężarki 7 bezolejowej, do której doprowadzony jest przewód 31 powietrzny, chłodnicy 8, odwadniacza 9, silnika 10 pneumatycznego i pompy 11 próżniowej. Owa silniki 5 i 6, sprężarka 7, silnik 10 pneumatyczny i pompa 11 próżniowa są na wspólnym wale obrotowym 32. Z dołu każdej kolumny jest wyprowadzony przewód rozdzielający się w systemie dolnym 3 przewodów i zaworów na trzy przewody 17, 18 i 19. Na każdym z tych trzech przewodów jest zawór elektromagnetyczny 26, 27, 28 odcinający. Przewody 17 są przewodami powietrznymi zasilającymi kolumny. Przewody 18 są przewodami odprowadzającymi sprężony azot. Przewody 19 są przewodami odprowadzającymi cyklicznie: azot o obniżonym ciśnieniu i parę wodną zdesorbowaną ze złoża kolumny. Cztery przewody 17 są połączone technologicznie z przewodem 20 prowadzącym od sprężarki 7, cztery przewody 18 - z przewodem 21 prowadzącym do silnika 10 pneumatycznego i cztery przewody 19 - z przewodem 22 prowadzącym do pompy próżniowej 11. U góry każdej kolumny wyprowadzony jest przewód 23 i na każdym z przewodów 23 jest zawór zwrotny 29. Przewody 23 za zaworami 29 są połączone przewodem 25 prowadzącym do zbiornika 16 tlenu. Przewód 23 nad każdą kolumną łączy się przewodem 24 z każdą sąsiednią kolumną. Na każdym przewodzie 24 łączącym jest zawór dławiący 30. Przewód 23 kolumny 12 jest dodatkowo połączony z przewodem 23 kolumny 15 poprzez jeden zawór dławiący 30. Urządzenie działa następująco. Proces rozdziału powietrza na tlen i azot przebiega cyklicznie na poszczególnych kolumnach w taki sposób, że trzy kolumny 12, 13 i 14 pracują w systemie PSA a czwarta 15 jest desorbowana metodą termiczną. Przebieg cyklu można zaobserwować na przykładzie pracy jednej z kolumn, np. kolumny 12. Początkowo do tej kolumny ze sprężarki 7 poprzez chłodnicę 8, odwadniacz pneumatyczny 9, przewód 17 i zawór 26 systemu 3 jest wtłaczane powietrze. Gdy ciśnienie osiągnie 1 MPa przez otwarty zawór 29 systemu 4 gaz wzbogacony w tlen przewodem 25 płynie do zbiornika wyrównawczego 16. W czasie gdy kolumna 12 pracuje w cyklu wzbogacania, kolumny 13, 14 i 15 pracują w cyklu desorpcji podciśnieniowej lub temperaturowej. Około 30% strumienia prowadzonego przewodem 23 może być przez przewód 33 i dławik 30 przesyłane do przepłukiwania kolumny 15. Około 30% strumienia płynącego przewodem 23 może być przewodem 24 poprzez dławik 30 prowadzone do przepłukiwania kolumn 13 i 14. Po upływie kilkudziesięciu sekund zawory 26 i 29 zostają zamknięte a otwiera się zawór 27. Azot o ciśnieniu malejącym od 1 MPa przepływa do silnika pneumatycznego 10. Energia gazu z adsorbera zostaje zamieniona na energię mechaniczną i przekazana na wał 32. Gdy ciśnienie w kolumnie 12 obniży się do ciśnienia atmosferycznego otwiera się zawór 28 łączący kolumnę 12 z pompą próżniową 11 i prowadzona jest desorpcja

4 próżniowa złoża. Cykle powtarzają się aż do momentu, kiedy gromadząca się w sorbencie woda spowoduje obniżenie wydajności adsorpcji azotu. Wtedy zawory 26 i 27 zamyka się na czas około 1 godziny i otwiera się zawór 28. Sorbent w kolumnie ogrzewa się do około 300 C a zdesorbowaną parę wodną i azot odprowadza się przewodami 19 i 22 do pompy. Następnie sorbent ochładza się do temperatury otoczenia. W tej fazie cyklu po desorpcji wilgoci następuje przywrócenie sorbentowi własności rozdzielczych. P r z y k ł a d I I. Na rysunku fig. 2 pokazane jest urządzenie do rozdzielania powietrza na tlen i azot tym się różniące od urządzenia przedstawionego na fig. 1, że składa się z układu trzech kolumn adsorpcyjnych. System dolny 3 zaworów znajdujący się poniżej kolumn składa się z dwóch zaworów pod każdą z kolumn. Agregat zasilający 2 zawiera na wspólnym z silnikiem 5 i ze sprężarką 7 wale 32 próżniową pompę 10 łopatkową. Podczas rozprężania od 1 MPa do 0,1 MPa azotu zgromadzonego w kolumnach pompa łopatkowa 10 pracuje jako silnik, przekazując energię ruchu obrotowego na wał 32, który napędza sprężarkę 7. Aby wyssać azot z kolumn do odpowiedniego podciśnienia, pompa 10 korzysta z energii silnika 5 przekazywanej przez wał 32. Urządzenie zużywa 1 kwh energii elektrycznej na 1 Nm3 uzyskanego produktu tlenowego przy wydajności 1 Nm 3 na godzinę produktu tlenowego o stężeniu 90% wagowych 02 Dla porównania, urządzenie znane pracujące w układzie dwukolumnowym, wypełnione jako adsorbentem sitami molekularnymi typu 5A zużywa ponad dwukrotnie więcej energii na jednostkę masy otrzymanego tlenu.

5

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena zł