Конструкции кислородных концентраторов

Рассмотрим приемы проведения каждой из четырех стадии безнагревных процессов. Стадия продуцирования как функционально основная характеризуется наименьшим числом вариантов: она может протекать при повышенном давлении (напорный вариант) или при атмосферном (безнапорный вариант). Выбор варианта определяется давлением в системе потребления газа, и в напорном варианте оно обычно составляет 0,2--2 МПа.

Давление на стадии продуцирования обусловливает давление на стадии регенерации. В напорном варианте это, как правило, атмосферное давление, в безнапорном - вакуум. Вакуум на стадии регенерации иногда применяют и в установках, работающих по напорной схеме.

Для получения чистой фракции хуже сорбирующегося компонента при регенерации используют флегмовое «орошение» адсорбента -- обратную продувку слоя частью продуктового газа. Без обратной продувки функционируют некоторые установки разделения, и в них остаточное содержание примесей в продуктовом потоке определяется остаточным давлением в адсорбере в конце стадии регенерации.

Сочетание описанных выше условий и приемов проведения основных стадий дает семь классов безнагревных процессов, области применения которых указаны ниже:

Таблица 7 - Типы процессов КБА

Как следует из анализа, наиболее популярными являются установки напорного типа с атмосферным давлением регенерации (тип I). Данный тип установок применяется для обеспечения тонкой очистки газов, а также для разделения газовых смесей с высокой частотой целевого компонента. Избыточное давление продуцирования в установках данного типа не требует применения дополнительных устройств для подачи газовой смеси потребителю.

Характер протекания переходных процессов играет огромную роль в процессах разделения. Стадии сброса и подъема давления могут осуществляться различными способами.

Прямоточный набор давления осуществляется путем подачи в адсорбер исходной смеси. Противоточный подъем давления реализуется подачей в адсорбер продукционной смеси. В случае прямо противоточного подъема вначале давление повышают до некоторого значения продукционной смесью, а затем подачей исходной смеси давление доводят до верхнего значения.

Количество смеси которую необходимо получить на выходе из установки, определяется количеством адсорберов входящих в ее состав. Так для получения кислорода чистотой 50-90% необходимо использовать два или три адсорбера, а для извлечения водорода чистотой 70% потребуется от семи до десяти адсорберов.

2.6 Типы исполнения газоразделительных установок

В промышленности заметны тенденции при проектировке газоразделительных установок: снижение габаритных размеров при сохранении производительности, как правило, вызывает рост себестоимости; увеличение производительности при сохранении габаритных размеров вызывает уменьшение концентрации целевого продукта и снижение себестоимости.На рисунке 13 представлена принципиальная технологическая схема установки для одновременного получения азота и кислорода из воздушной смеси. Основными конструкционными элементами являются две пары адсорберов, каждая из которых включает вспомогательный адсорбер для осушки и очистки воздуха от СО2 (1, 2) и основной воздухоразделительный адсорбер (3, 4). Оба адсорбера заполнены цеолитом (NaM, NaX).

На этапе адсорбции воздух, подаваемый воздуходувкой 5 при давлении 0,1…0,12 МПа, последовательно проходит через оба адсорбера, обогащается кислородом и поступает в газгольдер 6. Данная операция продолжается до тех пор, пока концентрация азота в продукционном газе не достигнет максимального уровня. После этого отработавшие адсорберы прямотоком продувают азотом, подаваемым при том же давлении, что и исходный воздух из газгольдера 7 воздуходувкой 5.

Рисунок 13 - Принципиальная технологическая схема воздухоразделительной установки КБА: 1, 2 - адсорберы для осушки и очистки воздуха от СО2; 3, 4 - воздухоразделительные адсорберы; 5 - воздуходувка; 6, 7, 8 - газгольдеры; 9 - вакуум - насос; 10, 11 - адсорберы для осушки продукционного азота; 12 - компрессор; 13 - теплообменник; 14 - сепаратор; 15,16 - фильтры

Образующийся при этом продувочный газ близкий по своему составу к исходному воздуху через газгольдер 8 отводится в линию всасывания воздуходувки 5. По окончании стадии продувки рассматриваемые адсорберы вакуумируются с помощью насоса 9, а получаемый при этом продукционный азот собирается в газгольдере 7. Вакуумирование осуществляется в два этапа: на первом этапе одновременно вакуумируются до достижения заданного значения остаточного давления оба адсорбера, а на втором - только вспомогательный адсорбер с целью более полного выделения из него адсорбированной влаги. В то время как вспомогательный адсорбер подвергается дополнительному вакуумированию, в основном воздухоразделительном адсорбере производится набор давления за счет подачи в него части продукционного кислорода из газгольдера 6. Далее данная операция распространяется и на вспомогательный адсорбер. По завершению набора давления в адсорберах они готовы к проведению нового адсорбционного цикла, общая продолжительность которого составляет 280 с. В данном процессе продуцируется кислород с концентрацией 80…95 % и азот с концентрацией 96…99 %.

Кислород практически не содержит примесей воды и СО2, концентрация которых в азоте может достигать 3,5 % и 0,05 % соответственно. Азот подвергается дополнительной осушке в специально предназначенном для этого осушительном блоке, в состав которого входят два термически регенерируемых адсорбера 10, 11. Азот подается на осушку из газгольдера 7 при давлении 0,5…1 МПа с помощью компрессора 12.

При максимальных значениях концентрации продукционных компонентов (кислород 95 %, азот 99,9 %) степень их извлечения из воздуха в рассматриваемом процессе составляет не менее 50 %. Для наиболее низких концентраций степень извлечения этих компонентов выше. Аналогичный характер носит также зависимость между концентрациями кислорода и азота и производительностью установки. При уменьшении концентрации кислорода с 90 до 80 % его расход возрастает на 25 %. При отсутствии потребления азота установка может работать в режиме продуцирования кислорода. В этом случае технологический процесс упрощается.

Данная установка относится к безнапорно-вакуумному типу. Также имеются установки для одновременного получения азота и кислорода, работающие по напорно-вакуумной схеме. Кроме того она является достаточно сложной по исполнению. Существуют установки имеющие более простую конструкцию, и характерным примером может служит кислородный концентратор с описанной ниже конструкцией (Рисунок 14).

Рисунок 14 - Одноадсорберный концентратор кислорода: 1 - угольный фильтр; 2 - газовый насос; 3 - механический фильтр; 4 - глушитель шума; 5 - газораспределительное устройство; 6 - адсорбер; 7 - блок управления; 8 - обратный клапан; 9 - дроссель; 10 - клапан; 11 - ресивер; 12 - датчик давления; 13 - регулятор давления; 14 - ротаметр; 15 - бактерицидный фильтр

Принцип действия установки следующий: атмосферный воздух через механический фильтр 3,глушитель шума 4 и газораспределительное устройство 5, находящееся в положении I (сплошная линия), поступает на всасывающий патрубок газового насоса 2. С выходного патрубка через угольный фильтр 1, для удаления из потока примеси масла, воздух вновь проходит через газораспределительное устройство 5 и под давлением подается в заполненный цеолитом адсорбер 6. Из адсорбера кислородообогащенный поток через обратный клапан 8 поступает далее в ресивер 11, из которого через регулятор давления 13, ротаметр 14 и фильтр 15 кислород отводится потребителю. Цикличность адсорбционного процесса осуществляется путем эффективного регулирования давления в ресивере 11. На стадии продуцирования, когда кислородообогащенный воздух по описанному выше контуру поступает в ресивер 11, давление в нем медленно растет. При увеличении давления в ресивере до заданного значения (P = 0,2 МПа) газораспределительное устройство 5 посредством блока управления 7, связанного с датчиком давления 12, переходит в положение II (пунктирная линия). При этом в процессе работы насоса 2 производится откачка адсорбера 6 с выводом газов регенерации в атмосферу последовательно через глушитель шума 4 и фильтр 3. Одновременно содержащийся в ресивере 11 кислородообогащенный воздух отводится потребителю, и давление в нем понижается. При уменьшений давления до 0,14 МПа посредством устройства 7 открывается клапан 10 и кислородообогащенный газ из ресивера 11 в количестве, определяемом диафрагмой 9, поступает в адсорбер 6 для продувки, которая является заключительной стадией регенерационного процесса. По завершению указанной стадии клапан 10 закрывается, газораспределительное устройство 5 переходит в положение I, и адсорбер 6 начинает работать в режиме продуцирования кислородобогащенного воздуха.

Несмотря на все многообразие существующих схемотехнических решений организации процессов адсорбционного разделения газовых смесей, основным этапом в процессе разработки установок КБА является физическое моделирование. Изменение давления, температуры и других параметров оказывает непосредственное влияние на качественные показатели процесса. Полноценный учет перечисленных факторов в условиях физического моделирования приводит к значительным затратам финансов, времени и трудовых ресурсов. На практике приходится искать компромисс между себестоимостью производимой установки и ее уровнем ее эффективности.

Актуальной задачей является включение в процесс разработки этапа математического моделирования на основе теории адсорбционных и гидромеханических процессов. Наличие адекватной математической модели в широком спектре управляющих и возмущающих воздействий позволит: искать новые пути повышения эффективности установок КБА, сократить время научно-исследовательских и пусконаладочных работ, а также подойти к формированию методики расчета процессов разделения газовых смесей в условиях короткоцикловой безнагревной адсорбции.

Необходимость и важность управления процессами, протекающими в установках КБА, очевидна. Обеспечение заданных качественных показателей работы установки КБА в широком диапазоне возмущающих воздействий, как зачастую требует практика, невозможно без разработки высокоэффективных систем управления. Кроме того, выбор закона управления и технических средств автоматизации определяет устойчивость показателей эффективности работы установки в течении длительного периода функционирования газоразделительной установки.

3. Экспериментальные исследования эффективности выделения кислорода на фильтрах типа NaX

В настоящем разделе приводятся результаты проведения экспериментальных исследований по выделению кислорода из воздуха при низких давлениях.

Испытания проводились на экспериментальном стенде 2013-СКБА (стенд кислородный безнагревно адсорберный). Конечной целью работ, составной частью которых являлось настоящее исследование, являлось определение эффективности получения кислорода безнагревным методом

Целью настоящих работ являлось:

- определение эффективности получения кислорода безнагревным методом.

- построение графических зависимостей эффективности получения кислорода при различных условиях

- разработка общих рекомендаций по применению адсорберов типа NaX в кислородных концентраторах и аналогичных установках

Для достижения поставленных целей были сформированы и решены следующие задачи:

- создание стенда 2013-СКБА

- разработка программы и методики проведения экспериментальных исследований;

- изготовление узлов и деталей стенда, приобретение комплектующих изделий (компрессор, шланги, вентиля, датчик кислорода, фильтр, адсорбер)

- изготовление и монтаж экспериментальных участков

- монтаж контуров и систем стенда;

- проведение пуско-наладочных работ;

- проведение экспериментов в объеме программы исследований и в соответствии с методикой их проведения;

- разработка рекомендаций по созданию и усовершенствованию конструкций кислородных концентраторов;

В рамках данных исследований были разработаны и изготовлены два фильтрующих блока одинакового объема, для выявления зависимости содержания кислорода в смеси при различных объемах адсорбера.

Особое внимание при изготовлении установки уделялось герметичности всех стыковых соединений и швов.

В качестве адсорбера был выбран цеолит типа NaX шарикового типа. Однако, в рамках ограниченного финансирования, отсутствия возможности закупки цеолита данного типа, было принято решение об использовании цеолита в гранулах.

3.1 Описание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд 2013-СКБА предназначен для проведения экспериментальных исследований по получению кислорода безнагревным методом на цеолитах различных марок.

Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Экспериментальный стенд 2013-СКБА: 1 - компрессор; 2 - фильтрующий модуль; 3 - манометр; - датчик кислорода; В1-В5 - вентиля

В качестве устройства для нагнетания исходной смеси был выбран автомобильный поршневой компрессор со встроенным манометром для индикации входного давления. Габариты ДxШxВ: 230х180х100 мм; вес 2,2 кг; длинна провода 3 м, длинна шланга 0,65 м. Максимальное давление накачки 0,5 МПа, заявленная производительность 5 л/мин.

Питается компрессор от сети постоянного тока напряжением 12 вольт поэтому подключение его напрямую в сеть переменного тока недопустимо. Использование маломощных источников питания так же не подходит для работы, поскольку компрессор является устройством с высоким потреблением тока, и в зависимости от модели компрессора потребляемый ток может возрастать до 10 А. Поэтому источником питания для стенда выступает зарядное устройство для аккумуляторных батарей РАССВЕТ-2. Компрессор подключенный к источнику питания изображен на рисунке 16.

Рисунок 16 - Компрессор и источник питания в сборе

Конструктивно зарядное устройство (ЗУ) изготовлено в виде отдельного блока, закрытого корпусом от непогоды и влаги. На основании корпуса крепятся силовой трансформатор, мощные управляющие тиристоры на радиаторах, плата стабилизации тока заряда и управления тиристорами, клеммы для подсоединения заряжаемого аккумулятора проводами, сечением не менее 2,5 мм2("+" на корпусе) и выключатель питания. Плата управления и стабилизации установлена на передней панели корпуса таким образом, чтобы кнопки переключателей режима заряда - "Ручной - автоматический" и включения заряда попадали в специально прорезанный паз и легко переключались. Так же на переднюю панель выведены ручной регулятор тока заряда. В качестве силового трансформатора может быть применен любой мощностью 180-250 Вт, выдающий переменное напряжение ~16...22 В и рассчитанный на ток 6...10 А.

В качестве вентилей используются латунные шаровые краны шаровые краны G1/2(рисунок 17), способные работать при условном давлении до 1,6 МПа, в таких рабочих средах как газ, пар, самосмазывающиеся жидкости. Во внутренней полости корпуса, между фторопластовыми седлами, установлена шаровая заслонка и сжата муфтой до обеспечения герметичности крана.

Рисунок 17 - Кран шаровый латунный: 1 - корпус; 2 -втулка; 3 - шпиндель, 4 - затвор; 5 - втулка нажимная; 6 - ручка; 7,8- кольца уплотнительные; 9 - винт М4х8

Положение заслонки может быть «открыто» или «закрыто» и изменяется при вращении ее рукояткой. Для закрытия крана латунного шарового необходимо осуществить поворот рукоятки по часовой стрелке до упора, а для открытия - против часовой стрелки до упора. Полному открытию крана соответствует совпадение большой оси рукоятки с осью трубопровода. Вентиль В1 служит для регулировки входного давления путем дросселирования до нужного значения. В3 - осовной вентиль для обеспечения работы стенда в режиме адсорбции. В5 - обеспечивает взаимодействие обогащённой смеси с датчиком кислорода. В2 и В4 используются для сброса давления, обратной продувки и регенерации слоев адсорбента. В качестве узла обеспечивающего разделение газовой смеси выступает адсорбер. Корпус адсорбера выполнен из полипропилена и способен работать при температурах до +95°С. Внешний вид адсорбера совмещенный с частью разреза изображены на рисунке 18.

Рисунок 18 - Чертеж адсорбера 1 - штуцер входной; 2 - штуцер выходной; 3 - корпус; 4 прокладка резиновая; 5 - гайка с шайбой; 6 - грубый фильтр; 7 - крышка

Рисунок 19 - Адсорбер

Входной и выходной штуцера с внешним диаметром 14мм, и внутренним диаметром 11мм посредством резьбового соединения монтируются в крышку. Для обеспечения прочности соединения штуцер закрепляется гайкой с шайбой. Места соединения дополнительно промазываются силиконовым герметиком для исключения утечек. Прочность крепления и герметичность соединения штуцеров и подводных шлангов обеспечивается хомутами.

Рисунок 20 - Адсорбер в разобранном виде

Во внутреннюю полость крышки устанавливается грубый нейлоновый фильтр предотвращающий попадание крошки цеолита в узлы магистрали. Прочность обеспечивается клеевым соединением с помощью термоклея. Герметичность соединения крышки с корпусом гарантируется резиновой прокладкой.

Внутренняя полость адсорбера заполняется цеолитом необходимой марки и фракции, далее закрывается верхней крышкой и дополнительно закрепляется стяжкой. Способность такого фильтра обеспечивать нужную герметизацию при давлениях до 0,5 МПа экспериментально доказана в рамках данной работы

Чистота получившейся выходной смеси регистрируется с помощью газоанализатора testogas, который предназначен для автоматической индикации содержания кислорода в исследуемой газовой смеси. Внешний вид анализатора представлен на рисунке 21.

Рисунок 21 - газоанализатор testogas

В газоанализаторе применяется электрохимический датчик кислорода, выходной сигнал которого пропорционален содержанию кислорода в воздушной среде. Используемый микроконтроллер обеспечивает согласование и измерение уровня выходного напряжения датчика, обработку сигнала и вывод информации на жидкокристаллический дисплей. Перед началом работы с прибором необходим произвести калибровку прибора по воздуху либо по баллону со 100% кислородной смесью.

Экспериментальный стенд в собранном состоянии представлен на рисунке 22.

Рисунок 22 - Экспериментальный стенд 2013-СКБА

3.2 Обсуждение результатов эксперимента

Результаты экспериментов представлены в таблицах

Таблица 8 - Определение производительности компрессора

Таким образом, объемным методом определена максимальная производительность компрессора, которая составляет 4 л/мин.

Таблица 9 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора при давлении 0,3 МПа

Таблица 10 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора давлении 0,4 МПа

Таблица 11 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора при давлении 0,5 МПа

Графическое отображение данных зависимостей представлено на рисунках 20-23.

Рисунок 20 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора при давлении 0,3 МПа

Рисунок 21 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора давлении 0,4 МПа

Рисунок 22 - Концентрация кислорода на выходе из компрессора при давлении 0,5 МПа

Полученные данные свидетельствуют о том что концентрация кислорода на выходе из компрессора не зависит от давление на выходе, а разброс показаний обусловлен погрешностью датчика кислорода.

Таблица 12 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,1 МПа

Таблица 13 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,2 МПа

Таблица 14 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,3 МПа

Таблица 15 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,4 МПа

Таблица 16 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,5 МПа

Рисунок 22 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,2 МПа

Рисунок 23 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,3 МПа

Рисунок 24 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,4 МПа

Рисунок 25 - Зависимость концентрации кислорода от времени продувки при объеме адсорбента 200 мл, и давлении 0,5 МПа

Литература

Авдеев С.Н. ДЛИТЕЛЬНАЯ КИСЛОРОДОТЕРАПИЯ ПРИ ХРОНИЧЕСКОЙ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ. ФГУ «НИИ Пульмонологии ФМБА» России.

Размещено на Allbest.ru