Способ обогащения газовой смеси кислородом

 

Способ обогащения газовой смеси кислородом, используемой, например в дыхательных системах летательных аппаратов, включает осушение исходной смеси, компримирование ее до давления 1 15 МПа, подачу в первый мембранный аппарат, содержащий полые волокна, разделение в нем на два потока, один из которых обогащен, а другой обеднен кислородом, компримирование обогащенного кислородом потока, его подачу во второй мембранный аппарат, разделение смеси на два потока и подачу обедненного кислородом потока второй ступени разделения на вход первого аппарата. При этом процесс разделения ведут при отношении давления по обе стороны мембраны равном 20 200. 1 ил.

Изобретение относится к авиации, а именно к технике разделения и обогащения газовых смесей, и предназначено для использования в системах жизнеобеспечения летательных аппаратов.

Оно может также быть использовано в химической и пищевой промышленности.

Известен способ обогащения газовой смеси кислородом в системе жизнеобеспечения самолета, путем пропускания потока газовой смеси через систему сорбционных молекулярных сит (см. например, патент США N 4272265, F 16 К 11/02, 1981).

Однако этот способ имеет недостаточный процент обогащения кислородом дыхательной смеси из-за ограниченных возможностей генераторов дыхательной смеси, вследствие чего исключается возможность увеличения высотности использования кислородной системы.

Известен также способ обогащения газовой смеси кислородом (см. патент США N 4119417, кл. В 01 D 53/22, 1978), заключающийся в том, что исходную газовую смесь компримируют и под избыточным давлением пропускают последовательно через мембранные аппараты с полыми волокнами, разделяют в них на обогащенную и обедненную кислородные газовые смеси. Обогащенную кислородом смесь компримируют и повторно разделяют в мембранных аппаратах на обогащенную и обедненную кислородом газовые смеси. Обедненную смесь после повторного разделения смешивают с исходной газовой смесью предыдущего цикла.

Недостатком этого способа являются значительные затраты энергии и малая степень обогащения газовой смеси.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение эксплуатационной надежности, стабильности и эффективности обогащения, а также снижение удельных затрат энергии.

Это достигается тем, что исходную газовую смесь компримируют, подают в первый мембранный аппарат, разделяют в нем на обогащенную и обедненную кислородом газовые смеси. Обогащенную смесь сжимают и повторно разделяют во втором мембранном аппарате на обогащенную и обедненную кислородом газовые смеси. Обедненную смесь после повторного разделения смешивают с исходной газовой смесью предыдущего цикла. Исходную газовую смесь осушают, компримируют до давления 1,0-1,5 МПа, а процесс разделения в мембранных аппаратах ведут при отношении давления по обе стороны мембраны равном 20-200.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что увеличение степени сжатия исходной газовой смеси перед ее разделением повышает производительность способа и увеличивают степень насыщения кислородом. Однако при сжатии выше 15,0 МПа процесс доходит до асимптотического состояния, а затраты энергии на сжатие исходной смеси неоправданно возрастают. Повысить эффективность насыщения оказалось возможным путем вакуумирования обогащенной газовой смеси в процессе ее разделения, причем существенная прибавка в степени насыщения появляется при отношении давления по обе стороны мембраны, равном 20-200. Сочетание сжатия исходной смеси с вакуумированием обогащенного продукта позволило достигнуть наивысшей степени обогащения; 50% на одной ступени и 80-90% на двух ступенях при минимизации затрат энергии на обогащение. Однако при таких операциях чрезвычайное значение имеет сушка исходного продукта перед первым разделением, так как процесс вакуумирования приводит к испарению влаги и забиванию полупроницаемых стенок волокнистых мембран парами воды, что резко снижает эффективность разделения.

Процесс сушки перед разделением газовых смесей известен из патента ФРГ N 2938556, кл. В 01 D 53/22, 1979, а вакуумирование обогащенной газовой смеси из патента Великобритании N 2122103, кл. В 01 D 53/22, 1984. Однако процесс сушки особенно эффективен в сочетании с глубоким вакуумированием до отношения давления по обе стороны мембраны Δ Р20-200, особенно при высоких давлениях первичного сжатия, когда вследствие адиабатического нагрева влага испаряется и сушка исходной газовой смеси сепараторами влаги и другими традиционными методами становится невозможной.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации предложенного способа в системе жизнеобеспечения летательного аппарата.

Система для летательного аппарата содержит последовательно соединенные магистралью 1 кислородные маски 2, кислородный прибор 3, редуктор 4, емкость дыхательной смеси 5, предохранительный клапан 6, диффузионный аппарат 7 обогащения кислородом. Камера низкого давления 8 соединена с кислородной емкостью 5, а камера высокого давления 9 с компрессором 10 и атмосферой через дроссель 11, между которыми установлены фильтры 12, индикатор влаги 13, осушитель 14, контрольный прибор 15, ресивер 16, предохранительный 17 и обратный 18 клапаны и маслоотстойники 19. Между диффузионным аппаратом 7 обогащения кислородом и предохранительным клапаном 6 установлен второй диффузионный аппарат 20 обогащения кислородом.

Камера высокого давления диффузионного аппарата обогащения кислородом 20 соединена с камерой низкого давления 8 диффузионного аппарата 7 обогащения кислородом и с атмосферой через дополнительно установленный дроссель 22, а камера низкого давления 23 соединена с предохранительным клапаном 6. В магистрали между камерой низкого давления первого диффузионного аппарата обогащения кислородом установлен компрессор 24, вход которого соединен с камерой низкого давления 8 диффузионного аппарата 7 обогащения, а выход с камерой высокого давления 21 диффузионного аппарата 20 обогащения кислородом. Выход из камеры высокого давления 23 диффузионного аппарата 20 обогащения кислородом может быть соединен с входом компрессора 10 в линии нагнетания диффузионного аппарата 7 обогащения кислородом магистралью 25. Камеры высокого давления 9, 21 и низкого давления 8 и 23 аппаратов 7 и 20 разделены полимерной мембраной 26, выполненной в виде полых волокон.

Экспериментально определено, что для каждого вида полимерных мембран существует определенный интервал параметров введния процесса, в котором затраты минимальные.

Работа системы.

При необходимости использования дыхательной смеси включается в работу компрессор 10, который засасывает из атмосферы заборный воздух и сжимает его до значительных давлений (1-15 МПа), например до 150 кг/см² (15 МПа).

Сжатый воздух, пройдя по магистрали через маслоотстойник 19, обратный клапан 18, осушитель 14, фильтр 12, очищается от масла и пыли, осушается и попадает в камеру высокого давления 9 диффузионного аппарата обогащения кислородом 7, пройдя по которой, через дpоссель 11, определяющий потребный расход воздуха, уходит в атмосферу. Как известно, в диффузионном аппарате обогащения кислородом происходит процесс обогащения воздуха кислородом. Сущность процесса мембранного разделения заключается в способности полупроницаемой перегородки (мембраны), стоящей между камерами высокого и низкого давления аппарата обогащения, пропускать селективно целевые компоненты разделяемой смеси (воздуха). При этом процесс разделения ведут при отношении давления по обе стороны мембраны, равном 20-200.

Эта селективность достигается за счет разной скорости диффузии компонентов воздуха (кислорода, азота и пр.) через мембрану 26.

Предохранительный клапан 17 предохраняет магистраль и агрегаты, стоящие за ним, от перегрузок по давлению. Ресивер устраняет пульсации в магистрали, контрольный прибор 15 дает возможность контролировать давление смеси в магистрали.

В результате процесса обогащения в аппарате 7 в магистрали за камерой низкого давления 8 смесь будет иметь повышенное содержание кислорода. Обогащенная кислородом смесь поступает для дальнейшего обогащения в камеру высокого давления 21 диффузионного аппарата 20 обогащения кислородом. Вторично обогащенная кислородом дыхательная смесь поступает в накопитель дыхательной смеси 5 и далее по магистрали 1 через редуктор давления 4 в кислородный прибор 3, где она готовится для подачи в кислородную маску.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что повышается эффективность обогащения, снижаются удельные затраты энергии и повышается эксплуатационная надежность.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ КИСЛОРОДОМ, включающий компримирование исходной газовой смеси, подачу в первый мембранный аппарат, содержащий полые волокна, разделение в нем на два потока, один из которых обогащен, а второй обеднен кислородом, компримирование обогащенного кислородом потока, его подачу во второй мембранный аппарат, разделение смеси на два потока и подачу обедненного кислородом потока второй ступени разделения на вход первого аппарата, отличающийся тем, что исходную газовую смесь предварительно осушают, затем компримируют до давления 1 15 МПа, а процесс разделения в мембранных аппаратах ведут при отношении давлений по обе стороны мембраны 20 200.

РИСУНКИ

Рисунок 1