RU2443461C1 - Adsorption-membrane method of gas mix separation - Google Patents
Adsorption-membrane method of gas mix separation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2443461C1 RU2443461C1 RU2010135367/05A RU2010135367A RU2443461C1 RU 2443461 C1 RU2443461 C1 RU 2443461C1 RU 2010135367/05 A RU2010135367/05 A RU 2010135367/05A RU 2010135367 A RU2010135367 A RU 2010135367A RU 2443461 C1 RU2443461 C1 RU 2443461C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- adsorption
- product
- membrane
- pressure
- gas
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 61
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 24
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 11
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 11
- 238000007664 blowing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 48
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 41
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 16
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 16
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 2
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;molecular oxygen Chemical compound O=O.O=C=O UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N molecular nitrogen;molecular oxygen Chemical compound N#N.O=O DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011197 physicochemical method Methods 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам разделения газовых смесей методом короткоцикловой безнагревной адсорбции. Способ может быть использован для обогащения отдельных компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях при различных физико-химических промышленных технологических процессах, в лабораторных условиях, при производстве азота и кислорода из атмосферного воздуха и во многих других областях.The invention relates to methods for the separation of gas mixtures by the method of short-cycle heating without adsorption. The method can be used to enrich individual components in binary and multicomponent gas mixtures in various physicochemical industrial technological processes, in laboratory conditions, in the production of nitrogen and oxygen from atmospheric air and in many other areas.
Разделение газовых смесей производится различными физико-химическими методами, включая криогенные, абсорбционные, мембранные и адсорбционные. Например, в промышленных масштабах наиболее эффективным производством газообразного азота и кислорода является процесс криогенного разделения воздуха. В случае сравнительно небольших объемов производства более эффективными и менее энергоемкими становятся другие перечисленные методы. Например, производство двуокиси углерода из дымовых газов наиболее технологично осуществляется абсорбционными методами. Обогащение водорода и гелия в основном производится мембранными методами. Мембранные методы также вполне конкурентоспособны при производстве азота из атмосферного воздуха и среднеобогащенного (до 50%) кислорода. Преимущество мембранных методов состоит в сравнительно высокой селективности и производительности для ряда газовых компонентов, а также в простоте использования. Мембранные установки не имеют движущихся деталей, просты в эксплуатации и практически вечны (время непрерывной эксплуатации установки может исчисляться многими годами), если производить предварительную очистку и осушку разделяемой газовой смеси. Однако с открытием процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции (см. патент США №2944627) и нескольких новых групп адсорбентов, селективно поглощающих различные газы (цеолиты, углеродные молекулярные сита и др.), адсорбционные процессы разделения газовых смесей получили широкое распространение. Метод короткоцикловой адсорбции (КЦА) является технологически более сложным, чем мембранный (постоянно работают пневматические клапаны, переключающие адсорберы между собой), но зато позволяет достигать обогащений, более высоких, чем в мембранном методе. Например, концентрация азота в единичном аппарате может быть получена до 99,99 и более процентов (в мембранном методе концентрация 99,5% является близкой к предельной), а концентрация кислорода до 95% (в мембранном методе в единичном аппарате можно получить до 40%). По степени распространенности оба метода (КЦА и мембранный) примерно одинаковы. Однако КЦА метод обладает еще одним преимуществом, поскольку производство различных адсорбентов технологически является более простым и дешевым, чем производство полимерных селективных мембран.Separation of gas mixtures is carried out by various physicochemical methods, including cryogenic, absorption, membrane and adsorption. For example, on an industrial scale, the most efficient production of gaseous nitrogen and oxygen is the cryogenic separation of air. In the case of relatively small volumes of production, the other listed methods become more efficient and less energy intensive. For example, the production of carbon dioxide from flue gases is most technologically advanced by absorption methods. Enrichment of hydrogen and helium is mainly carried out by membrane methods. Membrane methods are also quite competitive in the production of nitrogen from atmospheric air and medium enriched (up to 50%) oxygen. The advantage of membrane methods is the relatively high selectivity and performance for a number of gas components, as well as ease of use. Membrane plants do not have moving parts, are easy to operate and practically eternal (the time of continuous operation of the installation can be many years), if the preliminary cleaning and drying of the shared gas mixture is carried out. However, with the discovery of short-cycle heatless adsorption processes (see US Pat. No. 2,944,627) and several new groups of adsorbents that selectively absorb various gases (zeolites, carbon molecular sieves, etc.), adsorption processes for the separation of gas mixtures have become widespread. The method of short-cycle adsorption (CCA) is technologically more complicated than the membrane one (pneumatic valves are constantly working, switching adsorbers between themselves), but it allows one to achieve enrichments higher than in the membrane method. For example, the nitrogen concentration in a single apparatus can be obtained up to 99.99 percent or more (in the membrane method, the concentration of 99.5% is close to the limit), and the oxygen concentration up to 95% (in the membrane method in a single apparatus you can get up to 40% ) In terms of prevalence, both methods (CCA and membrane) are approximately the same. However, the CCA method has another advantage, since the production of various adsorbents is technologically simpler and cheaper than the production of polymer selective membranes.
Главный принцип метода КЦА основан на том, что в параллельных адсорбционных колоннах (не менее двух) на слоях адсорбентов чередуются циклы сорбции и десорбции определенных газовых компонентов (например, при обогащении азота из воздуха - сорбция кислорода). При этом основным является то, что сорбционная емкость и скорость сорбции сорбируемых газов в несколько раз и даже десятков раз превышает аналогичные параметры для малосорбируемых газов. Процесс является сугубо нестационарным и циклическим, основанным на том, что одна из параллельных адсорбционных колонн, которая в данном полуцикле находится в стадии адсорбции, в следующем полуцикле переходит в стадию десорбции (регенерации), а ее функцию начинает выполнять другая колонна, которая уже прошла стадию регенерации. Адсорбция проводится при высоком давлении (в активную колонну-адсорбер подают сжатый поток разделяемой газовой смеси), а десорбция при пониженном давлении (например, атмосферном или под вакуумом) и с помощью продувки колонны-десорбера частью потока газа, выходящего из адсорбера. Минимальным количеством параллельных колонн является две, хотя для повышения эффективности процесса может быть использовано и большее количество параллельных колонн, каждая из которых в данный момент времени находится в различных стадиях регенерации и обогащения (см., например, пат. США №4,070,164). Главным преимуществом такой схемы является то, что она является наиболее энергоэффективной среди всех известных адсорбционных методов. Для десорбции не требуется повышенная температура. Движущей силой десорбции является сброс давления и продувка частью обогащенного целевым компонентом потока, производимого активным адсорбером.The main principle of the CCA method is based on the fact that in parallel adsorption columns (at least two) on the layers of adsorbents, the cycles of sorption and desorption of certain gas components alternate (for example, in the enrichment of nitrogen from air - oxygen sorption). In this case, the main thing is that the sorption capacity and sorption rate of sorbed gases are several times and even tens of times higher than the similar parameters for low-sorbed gases. The process is purely unsteady and cyclic, based on the fact that one of the parallel adsorption columns, which is in the adsorption stage in this half-cycle, goes into the desorption (regeneration) stage in the next half-cycle, and another column that has already passed the stage begins to fulfill its function regeneration. Adsorption is carried out at high pressure (a compressed stream of the separated gas mixture is supplied to the active adsorber column), and desorption under reduced pressure (for example, atmospheric or under vacuum) and by purging the stripping column with a part of the gas stream leaving the adsorber. The minimum number of parallel columns is two, although a larger number of parallel columns can be used to increase the efficiency of the process, each of which is currently at different stages of regeneration and enrichment (see, for example, US Pat. No. 4,070,164). The main advantage of such a scheme is that it is the most energy efficient among all known adsorption methods. For desorption, an elevated temperature is not required. The driving force of desorption is the depressurization and purging of part of the stream enriched with the target component produced by the active adsorber.
Данный базовый принцип широко используется на практике и существует много его модификаций, позволяющих увеличить степень обогащения или производительность способа (см., например, пат. США №4,194,890; пат. США №4,925,461; пат. США №4,548,799). Модификации не касаются изложенных выше базовых принципов КЦА, а касаются, в основном, выбора адсорбента, способов подачи газа для продувки колонн-десорберов, задания полупериодов циклов адсорбция-десорбция и др.This basic principle is widely used in practice and there are many modifications to increase the degree of enrichment or productivity of the method (see, for example, US Pat. No. 4,194,890; US Pat. No. 4,925,461; US Pat. No. 4,548,799). Modifications do not relate to the basic principles of CCA described above, but relate mainly to the choice of adsorbent, gas supply methods for purging stripping columns, setting half-periods of adsorption-desorption cycles, etc.
Недостатками известных способов КЦА для разделения газовых смесей являются следующие. Установки КЦА являются сравнительно малопроизводительными. Степень извлечения целевых компонентов, например, азота или кислорода из атмосферного воздуха (отношение парциального потока целевого компонента в потоке отбора продукта, идущего потребителю, к парциальному потоку в потоке питания), не превышает 20-25%. При этом поток отбора целевого продукта, идущего потребителю, составляет сравнительно малую величину относительно питающего потока газовой смеси, поступающего в колонны-адсорберы. В большинстве случаев потребителю от питающего потока поступает поток на уровне не выше 10%. Данная особенность связана с тем, что большую часть всего обогащенного продукта приходится использовать для регенерации адсорбента в десорбере (на сдувку из сорбента накопившихся там компонентов). Соотношение потоков (относительная производительность) является существенной составляющей, определяющей себестоимость КЦА метода (энергозатраты на сжатие входного потока разделяемого газа).The disadvantages of the known CCA methods for the separation of gas mixtures are as follows. CCA plants are relatively inefficient. The degree of extraction of the target components, for example, nitrogen or oxygen from atmospheric air (the ratio of the partial stream of the target component in the product selection stream going to the consumer to the partial stream in the power stream) does not exceed 20-25%. Moreover, the selection stream of the target product, going to the consumer, is a relatively small value relative to the feed stream of the gas mixture entering the adsorber columns. In most cases, the consumer receives a stream at a level of no higher than 10% from the supply stream. This feature is due to the fact that most of the enriched product has to be used to regenerate the adsorbent in the stripper (for blowing off the components accumulated there from the sorbent). The flow ratio (relative productivity) is an essential component that determines the cost of the CCA method (energy consumption for compression of the input stream of the shared gas).
Основные причины, обуславливающие невысокие производительность и степень извлечения, состоят в том, что короткоцикловая адсорбция характеризуется малыми временами полуциклов (от секунд до нескольких минут в зависимости от используемого сорбента, масштаба установки и необходимого обогащения). При этом в параллельных адсорбционных колоннах протекают постоянные периодические нестационарные процессы. Постоянно меняется давление от атмосферного при десорбции до некоего максимального рабочего давления при сорбции. Постоянно по высоте адсорберов меняются величины газовых потоков, что связано как с самими процессами сорбции в колонне-адсорбере, так и их десорбции в колоннах-десорберах, а также с непостоянством характеристик расходных устройств и нагнетательного компрессора. С ростом давления производительность компрессора падает, а при снижении давления пропускная способность расходных устройств также уменьшается. В результате для достижения высоких обогащений по целевым компонентам необходимо проведение относительно глубокой десорбции за счет интенсивной продувки колонны-десорбера, что и определяет сравнительно невысокую производительность установок.The main reasons for the low productivity and the degree of extraction are that short-cycle adsorption is characterized by short half-cycle times (from seconds to several minutes, depending on the sorbent used, the scale of the plant, and the necessary enrichment). At the same time, constant periodic unsteady processes occur in parallel adsorption columns. The pressure is constantly changing from atmospheric pressure during desorption to a certain maximum working pressure during sorption. The gas flows are constantly changing along the height of the adsorbers, which is associated both with the sorption processes in the adsorber column and their desorption in the desorption columns, as well as with the inconsistency of the characteristics of the expendable devices and the discharge compressor. With increasing pressure, compressor performance decreases, and with decreasing pressure, the throughput of consumables also decreases. As a result, to achieve high enrichment in the target components, it is necessary to conduct a relatively deep desorption due to intensive purging of the stripping column, which determines the relatively low productivity of the plants.
Одним из наиболее близких по техническому решению и совокупности признаков и принятому за прототип является способ, включающий сжатие потока разделяемой газовой смеси, последовательное циклическое пропускание его через слой адсорбента в двух параллельно соединенных адсорбционных колоннах, в которых циклически и последовательно организуют режимы повышения и понижения давления, отвод и подачу потребителю потока обогащенного продукта из колонны с повышенным давлением и продувку колонны, находящейся под пониженным давлением, частью потока обогащенного продукта (см. пат. США №4,948,391 от 14.08.1990).One of the closest in technical solution and combination of features and adopted for the prototype is a method that includes compressing the flow of a shared gas mixture, sequentially cycling it through an adsorbent bed in two parallel-connected adsorption columns, in which pressure increase and decrease modes are cyclically and sequentially organized, diversion and supply to the consumer of a stream of enriched product from the column with high pressure and purging the column under reduced pressure, partly enriched product current (see US Pat. No. 4,948,391 of 08/14/1990).
В данном способе процесс реализуется в двух адсорбционных колоннах, хотя практически вся совокупность заявляемых отличительных признаков может быть использована и в способах, в которых используют несколько (более двух) адсорбционных колонн. Данный способ обладает практически всеми перечисленными ранее недостатками, присущими КЦА способам разделения газовых смесей, - относительная производительность и степень извлечения целевого компонента невелики.In this method, the process is implemented in two adsorption columns, although almost the entire combination of the claimed distinguishing features can be used in methods that use several (more than two) adsorption columns. This method has almost all of the previously listed drawbacks inherent in CCA methods for the separation of gas mixtures, the relative productivity and degree of extraction of the target component is small.
Задачей предложенного способа является улучшение технологических характеристик КЦА способов разделения газовых смесей.The objective of the proposed method is to improve the technological characteristics of CCA methods for the separation of gas mixtures.
Техническим результатом предложенного способа является повышение относительной производительности и степени извлечения целевого компонента из газовой смеси. При заданной чистоте продукта может быть увеличен поток отбора потребителю, а при заданном потоке отбора может быть повышена чистота продукта.The technical result of the proposed method is to increase the relative productivity and degree of extraction of the target component from the gas mixture. For a given purity of the product, the selection flow to the consumer can be increased, and for a given selection flow, the purity of the product can be increased.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что адсорбционный способ разделения газовых смесей, включающий сжатие потока разделяемой газовой смеси, последовательное циклическое пропускание его через слой адсорбента в двух параллельно соединенных адсорбционных колоннах, в которых циклически и последовательно организуют режимы повышения и понижения давления, отвод и подачу потребителю потока обогащенного продукта из колонны с повышенным давлением и продувку колонны, находящейся под пониженным давлением, частью потока обогащенного продукта, включает дополнительную газоразделительную переработку потока обогащенного продукта.The specified task and technical result is achieved in that the adsorption method for separating gas mixtures, including compressing the flow of the separated gas mixture, sequentially cycling it through the adsorbent bed in two parallel-connected adsorption columns in which pressure increase and decrease pressure, discharge and supplying the consumer with a stream of enriched product from the column with high pressure and purging the column under reduced pressure, part of the stream bogaschennogo product gas separation comprises the additional enriched product stream processing.
Для этого обогащенный продукт перед подачей потребителю подвергают дополнительной переработке путем его подачи в мембранный газоразделительный аппарат, из которого отводят дополнительно обогащенный продукт и остаточный продукт, а продувку адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении, производят остаточным продуктом из мембранного газоразделительного аппарата.For this, the enriched product is subjected to additional processing before being fed to the consumer by feeding it to the membrane gas separation apparatus, from which the additional enriched product and the residual product are removed, and the adsorption column under reduced pressure is purged with the residual product from the membrane gas separation apparatus.
Основным отличием заявленного способа от прототипа и других известных способов реализации КЦА процессов является то, что в нем используется подача обогащенного продукта в мембранный газоразделительный аппарат. При этом за счет селективных свойств мембраны имеет место дополнительное обогащение продукта целевым компонентом.The main difference between the claimed method and the prototype and other known methods for the implementation of CCA processes is that it uses the feed of the enriched product into the membrane gas separation apparatus. Moreover, due to the selective properties of the membrane, an additional enrichment of the product with the target component takes place.
Принципиальное отличие также состоит в том, что для продувки (регенерации) адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении, не используется часть потока обогащенного в ней продукта (т.е. фактически часть готового продукта), а используется остаточный продукт из мембранного аппарата.The fundamental difference also lies in the fact that for purging (regenerating) the adsorption column under reduced pressure, not part of the stream of the product enriched in it (i.e., actually part of the finished product) is used, but the residual product from the membrane apparatus is used.
Эффект повышения производительности способа и степени извлечения целевого продукта достигается за счет того, что в мембранном аппарате производится дополнительная работа разделения газовой смеси, причем без использования дополнительных энергетических затрат, поскольку в мембранный аппарат подают заранее сжатую газовая смесь. Движущей силой разделения в мембранном аппарате является только разность давлений между различными сторонами мембраны. Кроме того, газоразделение в мембранном аппарате протекает более стабильно, чем в адсорберах, в которых постоянно имеют место нестационарные процессы по давлению и газовым потокам. Более высокая стабильность достигается за счет того, что для питания мембранного аппарата должен быть использован ресивер высокого давления, который сглаживает пульсации как по концентрациям, так по потокам и давлению, что также способствует достижению технического результата.The effect of increasing the productivity of the method and the degree of extraction of the target product is achieved due to the fact that the membrane apparatus performs additional work of separating the gas mixture, and without the use of additional energy costs, since the pre-compressed gas mixture is supplied to the membrane apparatus. The driving force of separation in the membrane apparatus is only the pressure difference between the different sides of the membrane. In addition, gas separation in the membrane apparatus proceeds more stably than in adsorbers in which unsteady processes of pressure and gas flows constantly take place. Higher stability is achieved due to the fact that a high pressure receiver should be used to power the membrane apparatus, which smooths out pulsations both in concentration and in flow and pressure, which also contributes to the achievement of a technical result.
Технически мембранный газоразделительный аппарат представляет собой проточную полость, имеющую объемы высокого и низкого давления, отделенные полупроницаемой селективной для газов полимерной мембраной. Способ отделения может быть различным. Либо это плоскорамные или рулонные мембранные элементы, либо половолоконные мембранные элементы.Technically, a membrane gas separation apparatus is a flow cavity having high and low pressure volumes separated by a semipermeable gas-selective polymer membrane. The separation method may be different. Either these are flat or rolled membrane elements, or hollow fiber membrane elements.
Поток обогащенного продукта из колонны с повышенным давлением всегда подают в объем высокого давления мембранного газоразделительного аппарата. В зависимости от типа мембраны (от ее селективных свойств) в объемах высокого и низкого давления происходит обогащение различных газовых компонентов. Например, для большинства известных мембран в объеме высокого давления происходит обогащение газовой смеси азотом и обеднение кислородом, двуокисью углерода и др. Т.е., если целевым компонентом в КЦА установке является более труднопроникающий через мембрану газ (например, азот в смеси азот-кислород или кислород в смеси кислород-СО2), то дополнительно обогащенный целевой продукт отводят из объема высокого давления, а из объема низкого давления отводят остаточный продукт и подают его на продувку адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении, и наоборот.The enriched product stream from the high pressure column is always fed into the high pressure volume of the membrane gas separation apparatus. Depending on the type of membrane (on its selective properties), various gas components are enriched in high and low pressure volumes. For example, for most known membranes in a high-pressure volume, the gas mixture is enriched with nitrogen and depleted in oxygen, carbon dioxide, etc. That is, if the target component in the CCA installation is a gas that is more difficult to penetrate through the membrane (for example, nitrogen in a nitrogen-oxygen mixture or oxygen in a mixture of oxygen-CO 2 ), the additionally enriched target product is withdrawn from the high pressure volume, and the residual product is removed from the low pressure volume and fed to the purge of the adsorption column located at the pony female pressure, and vice versa.
На фиг. изображена схема реализации адсорбционно-мембранного способа разделения газовых смесей.In FIG. depicts a diagram of the implementation of the adsorption-membrane method of separation of gas mixtures.
Способ реализуется следующим образом. Поток разделяемой газовой смеси 1 подвергают сжатию в компрессоре 2 и последовательно циклически пропускают через слой адсорбента в двух параллельно соединенных адсорбционных колоннах 3 и 4, в которых циклически и последовательно организуют режимы повышения и понижения давления. Режимы повышения и понижения давления организуют с помощью синхронного переключения системы входных клапанов 5. При этом в колонне с повышенным давлением (например, колонне 3) происходит активная сорбция легкосорбируемых компонентов и обогащение потока газа целевым компонентом. Колонна с пониженным давлением (например, колонна 4) соединена с атмосферой или вакуумным насосом через выход 6 и в ней происходит процесс десорбции накопленных компонентов. Из колонны с повышенным давлением выходящий продукт через систему синхронно переключаемых выходных клапанов 7 отводят и подают в объем высокого давления мембранного газоразделительного аппарата 8, где происходит его дополнительная переработка (обогащение), а дополнительно обогащенный продукт подают потребителю 9. Остаточный поток продукта 10 из мембранного аппарата через систему синхронно переключаемых клапанов 11 подают на продувку адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении (например, колонну 4). Для стабилизации работы мембранного аппарата 8 используют односторонне запираемый, например, обратным клапаном 12 ресивер 13.The method is implemented as follows. The flow of the separated
По завершении полуцикла с помощью переключения входных клапанов 5 поток разделяемой газовой смеси подают на вторую адсорбционную колонну. Далее все циклически повторяется.At the end of the half-cycle by switching the
В том случае, если целевым обогащаемым компонентом является труднопроникающий через мембрану газовый компонент, поток дополнительно обогащенного продукта 9 отводят из объема высокого давления мембранного газоразделительного аппарата, а остаточный поток отводят из объема низкого давления мембранного аппарата.In the event that the target enriched component is a gas component that is difficult to penetrate through the membrane, the stream of additionally enriched
Примеры реализации способаMethod implementation examples
Пример 1. Обогащение воздуха кислородом до концентраций средних величин.Example 1. The enrichment of air with oxygen to concentrations of average values.
Как в способе-прототипе, так и в предложенном способе используются следующие общие устройства:As in the prototype method, and in the proposed method, the following General devices are used:
- две адсорбционные колонны, заполненные цеолитом LiLSX в количестве 0,5 литра каждая; длина колонн составляет 0,3 м;- two adsorption columns filled with zeolite LiLSX in the amount of 0.5 liters each; the length of the columns is 0.3 m;
- нагнетательный компрессор с производительностью на свободный выход 5000 л/час и с максимальным рабочим давлением 10 ата;- a discharge compressor with a flow rate of 5000 l / h and with a maximum working pressure of 10 ata;
- ресивер объемом 0,3 литра;- receiver volume of 0.3 liters;
- блок управления для переключения входных клапанов, обеспечивающий время полуцикла короткоцикловой адсорбции, равное 1 секунде.- a control unit for switching the inlet valves, providing a half-cycle of short-cycle adsorption equal to 1 second.
Целью является получение воздуха, обогащенного кислородом с объемной концентрацией 60%.The goal is to obtain oxygen enriched air with a volume concentration of 60%.
При использовании способа-прототипа, в котором для регенерации адсорбционных колонн используется часть обогащенного кислородом потока из активной (сорбирующей) колонны, получается газовый продукт в количестве 320 литров в час с концентрацией кислорода 60% и с концентрацией аргона 3 об.%. Третьим компонентом продукта является азот с концентрацией 37%. Производительность компрессора за цикл постоянно меняется от 4500 до 5000 и в среднем составляет 4750 литров в час, что связано с постоянно меняющимися давлениями и пропускной способностью расходных дросселирующих устройств. При этом степень извлечения кислорода из атмосферного воздуха составляет 20%, а относительная производительность установки составляет 6,6% от средней за цикл производительности компрессора.When using the prototype method, in which part of the oxygen-enriched stream from the active (sorbing) column is used to regenerate adsorption columns, a gas product is obtained in an amount of 320 liters per hour with an oxygen concentration of 60% and an argon concentration of 3 vol.%. The third component of the product is nitrogen with a concentration of 37%. Compressor performance per cycle is constantly changing from 4500 to 5000 and averages 4750 liters per hour, which is associated with constantly changing pressures and throughput of flow-through throttling devices. At the same time, the degree of oxygen extraction from atmospheric air is 20%, and the relative unit capacity is 6.6% of the average compressor capacity per cycle.
В предложенной установке выходящий из активной адсорбционной колонны обогащенный кислородом воздух поступает на мембранный газоразделительный аппарат, где происходит его дополнительное обогащение и выдача в виде продукта из объема низкого давления. Остаточный продукт из объема высокого давления мембранного аппарата подают для продувки адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении. В качестве мембранного аппарата использован аппарат с полимерной селективной мембраной на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС) площадью 0,78 м2. Реализация способа позволяет получить 500 л/час продукта, содержащего 60% кислорода и около 2,8% аргона. При этом степень извлечения кислорода из атмосферного воздуха и относительная производительность способа возрастают от 1,5 раз и более и составляют соответственно 30% и 10,5% (поток отбора обогащенного продукта 500 л/час).In the proposed installation, oxygen-enriched air leaving the active adsorption column enters the membrane gas separation apparatus, where it is additionally enriched and discharged in the form of a product from the low-pressure volume. The residual product from the high pressure volume of the membrane apparatus is fed to purge the adsorption column under reduced pressure. An apparatus with a polymer selective membrane based on polyvinyltrimethylsilane (PVTMS) with an area of 0.78 m 2 was used as a membrane apparatus. The implementation of the method allows to obtain 500 l / h of a product containing 60% oxygen and about 2.8% argon. Moreover, the degree of oxygen extraction from atmospheric air and the relative productivity of the method increase from 1.5 times or more and make up 30% and 10.5%, respectively (enrichment product selection stream 500 l / h).
Пример 2. Получение из атмосферного воздуха азота, соответствующего условиям ГОСТ 9293-74 для продукта «Азот технический. 1-й сорт».Example 2. Obtaining from atmospheric air nitrogen that meets the conditions of GOST 9293-74 for the product "Technical nitrogen. 1st grade. "
Объемная концентрация азота должна составлять не менее 99,6%, а кислорода - не более 0,4%.The volume concentration of nitrogen should be at least 99.6%, and oxygen - not more than 0.4%.
Как в способе-прототипе, так и в предложенном способе используются следующие общие устройства:As in the prototype method, and in the proposed method, the following General devices are used:
- две адсорбционные колонны, заполненные углеродным молекулярным ситом марки CMS-F в количестве 0,5 литра каждая. Длина колонн составляет 0,3 м;- two adsorption columns filled with a carbon molecular sieve brand CMS-F in the amount of 0.5 liters each. The length of the columns is 0.3 m;
- нагнетательный компрессор с производительностью на свободный выход 5000 л/час и с максимальным рабочим давлением 10 ата;- a discharge compressor with a flow rate of 5000 l / h and with a maximum working pressure of 10 ata;
- ресивер объемом 0,3 литра;- receiver volume of 0.3 liters;
- блок управления для переключения входных клапанов, обеспечивающий время полуцикла короткоцикловой адсорбции, равное 1 секунде.- a control unit for switching the inlet valves, providing a half-cycle of short-cycle adsorption equal to 1 second.
Целью является получение азота с объемной концентрацией не ниже 99,6%.The goal is to obtain nitrogen with a volume concentration of not less than 99.6%.
При использовании способа-прототипа, в котором для регенерации колонны с пониженным давление используется часть обогащенного азотом потока из активной адсорбционной колонны с повышенным давлением, получается газовый продукт в количестве 340 литров в час с концентрацией азота 99,6%. Производительность компрессора за цикл постоянно меняется от 3770 до 5000 и в среднем составляет 4380 литров в час, что связано с постоянно меняющимися давлениями и пропускной способностью расходных дросселирующих устройств. При этом степень извлечения азота из атмосферного воздуха составляет 9,8%, а относительная производительность способа составляет 7,8% от средней за цикл производительности компрессора.When using the prototype method, in which a part of the nitrogen-rich stream from the active adsorption column with increased pressure is used to regenerate the reduced pressure column, a gas product is obtained in an amount of 340 liters per hour with a nitrogen concentration of 99.6%. Compressor performance per cycle is constantly changing from 3,770 to 5,000 and averages 4380 liters per hour, which is associated with constantly changing pressures and throughput of consumable throttling devices. Moreover, the degree of nitrogen extraction from atmospheric air is 9.8%, and the relative productivity of the method is 7.8% of the average compressor productivity per cycle.
В предложенном способе выходящий из активной адсорбционной колонны обогащенный азотом воздух поступает на мембранный газоразделительный аппарат, где происходит его дополнительное обогащение и выдача в виде продукта из объема высокого давления мембранного аппарата. Остаточный после аппарата воздух из объема низкого давления мембранного аппарата используется для регенерации адсорбционной колонны, находящейся при пониженном давлении. В качестве мембранного аппарата использован аппарат с полимерной селективной мембраной на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС) площадью 0,8 м2. Способ позволяет получить 500 л/час продукта, содержащего 99,95% азота. Получаемый азот соответствует условиям ГОСТ 9293-74 для продукта «Азот повышенной чистоты. 2-й сорт». Т.е. использование предлагаемого способа позволяет повысить качество производимого продукта. При этом степень извлечения азота из атмосферного воздуха составляет 14,1%, а относительная производительность способа составляет 11,1%. Т.е. степень извлечения и относительная производительность (по отношению к реальной производительности компрессора) увеличиваются более, чем на 40%.In the proposed method, the nitrogen enriched air leaving the active adsorption column enters the membrane gas separation apparatus, where it is further enriched and released as a product from the high pressure volume of the membrane apparatus. The residual air after the apparatus from the low-pressure volume of the membrane apparatus is used to regenerate the adsorption column under reduced pressure. An apparatus with a polymer selective membrane based on polyvinyltrimethylsilane (PVTMS) with an area of 0.8 m 2 was used as a membrane apparatus. The method allows to obtain 500 l / h of a product containing 99.95% nitrogen. The resulting nitrogen meets the conditions of GOST 9293-74 for the product “High Purity Nitrogen. 2nd grade. " Those. using the proposed method improves the quality of the product. Moreover, the degree of nitrogen extraction from atmospheric air is 14.1%, and the relative productivity of the method is 11.1%. Those. the degree of extraction and relative productivity (relative to the actual performance of the compressor) increase by more than 40%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135367/05A RU2443461C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Adsorption-membrane method of gas mix separation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135367/05A RU2443461C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Adsorption-membrane method of gas mix separation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2443461C1 true RU2443461C1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010135367/05A RU2443461C1 (en) | 2010-08-25 | 2010-08-25 | Adsorption-membrane method of gas mix separation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2443461C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2575540C2 (en) * | 2013-06-04 | 2016-02-20 | Руслан Аликович Насибуллин | Method for regeneration of saturated solution of moisture absorbing agent |
| RU188323U1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-04-08 | Публичное акционерное общество "Аквасервис" | Indoor respiratory atmosphere control device |
| EA035118B1 (en) * | 2016-04-28 | 2020-04-29 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4948391A (en) * | 1988-05-12 | 1990-08-14 | Vacuum Optics Corporation Of Japan | Pressure swing adsorption process for gas separation |
| RU2066218C1 (en) * | 1992-09-09 | 1996-09-10 | Филиал научно-исследовательского физико-химического института им.Л.Я.Карпова | Plant for utilization of lewisite with production of metallic arsenic |
| WO2007023761A1 (en) * | 2005-08-22 | 2007-03-01 | Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. | Method for concurrent separation of oxygen gas and nitrogen gas, and system for the concurrent separation |
| RU95547U1 (en) * | 2010-03-02 | 2010-07-10 | Открытое акционерное общество "Аквасервис" | HYBRID AIR SEPARATION INSTALLATION |
-
2010
- 2010-08-25 RU RU2010135367/05A patent/RU2443461C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4948391A (en) * | 1988-05-12 | 1990-08-14 | Vacuum Optics Corporation Of Japan | Pressure swing adsorption process for gas separation |
| RU2066218C1 (en) * | 1992-09-09 | 1996-09-10 | Филиал научно-исследовательского физико-химического института им.Л.Я.Карпова | Plant for utilization of lewisite with production of metallic arsenic |
| WO2007023761A1 (en) * | 2005-08-22 | 2007-03-01 | Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. | Method for concurrent separation of oxygen gas and nitrogen gas, and system for the concurrent separation |
| RU95547U1 (en) * | 2010-03-02 | 2010-07-10 | Открытое акционерное общество "Аквасервис" | HYBRID AIR SEPARATION INSTALLATION |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2575540C2 (en) * | 2013-06-04 | 2016-02-20 | Руслан Аликович Насибуллин | Method for regeneration of saturated solution of moisture absorbing agent |
| EA035118B1 (en) * | 2016-04-28 | 2020-04-29 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
| EA035118B9 (en) * | 2016-04-28 | 2020-06-30 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
| RU188323U1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-04-08 | Публичное акционерное общество "Аквасервис" | Indoor respiratory atmosphere control device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1322971C (en) | Process for producing high purity oxygen gas from air | |
| EP1867379B1 (en) | Pressure swing adsorption process with improved recovery of high-purity product | |
| KR0130764B1 (en) | Method for separating gas mixture by vacuum swing adsorption in a system consisting of two adsorbers | |
| Diagne et al. | Parametric studies on CO2 separation and recovery by a dual reflux PSA process consisting of both rectifying and stripping sections | |
| KR100326500B1 (en) | Vacuum/pressure swing adsorption(vpsa) method for production of an oxygan enriched gas | |
| JPH05253438A (en) | Dual product pressure swing adsorption and membrane operation | |
| JPH0587286B2 (en) | ||
| US6527830B1 (en) | Pressure swing adsorption process for co-producing nitrogen and oxygen | |
| JPH04227813A (en) | Improved control for pressure variable adsorption operation | |
| KR20200019570A (en) | Multi-bed rapid cycle kinetic psa | |
| CN104192807A (en) | Oxygen generating equipment system and process flow thereof | |
| EP0151186A1 (en) | Method and apparatus for separating mixed gas | |
| EP0147277A2 (en) | Process for separating a feed stream gas mixture using pressure swing adsorption | |
| RU2443461C1 (en) | Adsorption-membrane method of gas mix separation | |
| RU101646U1 (en) | PLANT FOR PRODUCING OXYGEN FROM ATMOSPHERIC AIR | |
| US9649589B2 (en) | Oxygen concentrator system and method | |
| EP3858463A1 (en) | Installation and method for recovering gaseous substances from gas flows | |
| CN100536992C (en) | Double separation method and double separation system for oxygen gas and nitrogen gas | |
| CN102380285B (en) | Method and device for concentrating coal mine exhaust gas by multi-tower vacuum pressure swing adsorption method | |
| EP3768411B1 (en) | Process for separating a heavy gas component from a gaseous mixture | |
| RU101645U1 (en) | PLANT FOR PRODUCING NITROGEN FROM OXYGEN-CONTAINING MIXTURES | |
| WO2017095268A1 (en) | Separation of multi-component gas mixtures by a pressure swing adsorption method | |
| CN117942706A (en) | Device system and method for preparing oxygen by rapid variable-pressure vacuum adsorption | |
| RU196293U1 (en) | PORTABLE MEMBRANE-ADSORBONIC OXYGEN CONCENTRATOR | |
| RU122907U1 (en) | ADSORPTION-MEMBRANE INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180826 |