RU2048176C1

RU2048176C1 - Method of enrichment of gas mixture in oxygen

Info

Publication number: RU2048176C1
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Ивлиев; Ростислав Николаевич Нагорный; Александр Степанович Тиракьян
Original assignee: Валерий Александрович Ивлиев; Ростислав Николаевич Нагорный; Александр Степанович Тиракьян
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: respiratory systems of flying vehicles. SUBSTANCE: method is based upon drying initial mixture, which is treated till achieving 1-15 MPa pressure. Then mixture is fed into membrane apparatus, which has hollow fibers. After that, mixture is separated to two streams, one of of which is enriched in oxygen, and the other one is depleted in oxygen. Then enriched oxygen is fed into the second membrane apparatus, and mixture is separated to two streams, and depleted stream is fed into input of the first apparatus. Process of separation is carried out at pressure relation being equal to 20-200 at both sides of the membrane. EFFECT: improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиации, а именно к технике разделения и обогащения газовых смесей, и предназначено для использования в системах жизнеобеспечения летательных аппаратов. The invention relates to aviation, and in particular to the technique of separation and enrichment of gas mixtures, and is intended for use in aircraft life support systems.

Оно может также быть использовано в химической и пищевой промышленности. It can also be used in the chemical and food industries.

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). A known method of enriching a gas mixture with oxygen in the life support system of an aircraft by passing a stream of a gas mixture through a system of sorption molecular sieves (see, for example, US patent N 4272265, F 16 K 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. However, this method has an insufficient percentage of oxygen enrichment of the respiratory mixture due to the limited capabilities of the respiratory mixture generators, thereby eliminating the possibility of increasing the altitude of use of the oxygen system.

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. There is also known a method of enriching a gas mixture with oxygen (see US patent N 4119417, class B 01 D 53/22, 1978), which consists in the fact that the original gas mixture is compressed and passed under overpressure sequentially through membrane devices with hollow fibers, separated in them for enriched and depleted oxygen gas mixtures. The oxygen-enriched mixture is compressed and re-separated in membrane apparatuses into gas-enriched and oxygen-depleted mixtures. The lean mixture after re-separation is mixed with the starting gas mixture of the previous cycle.

Недостатком этого способа являются значительные затраты энергии и малая степень обогащения газовой смеси. The disadvantage of this method is the significant energy consumption and a small degree of enrichment of the gas mixture.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение эксплуатационной надежности, стабильности и эффективности обогащения, а также снижение удельных затрат энергии. The aim of the invention is to remedy these disadvantages, increase operational reliability, stability and enrichment efficiency, as well as reduce specific energy costs.

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. This is achieved by compressing the starting gas mixture, feeding it into the first membrane apparatus, and separating it into gas mixtures enriched and depleted in oxygen. The enriched mixture is compressed and re-separated in a second membrane apparatus into enriched and oxygen-depleted gas mixtures. The lean mixture after re-separation is mixed with the starting gas mixture of the previous cycle. The initial gas mixture is dried, compressed to a pressure of 1.0-1.5 MPa, and the separation process in the membrane apparatuses is carried out at a pressure ratio on both sides of the membrane equal to 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. Experimental studies have shown that increasing the degree of compression of the initial gas mixture before separation increases the productivity of the method and increase the degree of oxygen saturation. However, with compression above 15.0 MPa, the process reaches an asymptotic state, and the energy consumption for compression of the initial mixture unreasonably increases. It was possible to increase the saturation efficiency by evacuating the enriched gas mixture during its separation, and a significant increase in the degree of saturation appears when the pressure ratio on both sides of the membrane is 20-200. The combination of compression of the initial mixture with evacuation of the enriched product allowed to achieve the highest degree of enrichment; 50% at one stage and 80-90% at two stages while minimizing the energy costs of enrichment. However, in such operations, drying of the initial product before the first separation is of utmost importance, since the evacuation process leads to evaporation of moisture and clogging of the semipermeable walls of the fibrous membranes with water vapor, which sharply reduces the separation efficiency.

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. The drying process before the separation of gas mixtures is known from the patent of Germany N 2938556, class. In 01 D 53/22, 1979, and the evacuation of an enriched gas mixture from UK patent N 2122103, CL. In 01 D 53/22, 1984. However, the drying process is especially effective in combination with deep evacuation to a pressure ratio on both sides of the membrane Δ P20-200, especially at high primary compression pressures, when moisture evaporates due to adiabatic heating and the initial gas mixture is dried by separators moisture and other traditional methods becomes impossible.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации предложенного способа в системе жизнеобеспечения летательного аппарата. The drawing shows a schematic diagram of the implementation of the proposed method in the life support system of an aircraft.

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. The system for an aircraft contains oxygen masks 2, oxygen device 3, gearbox 4, respiratory mixture capacity 5, safety valve 6, diffusion apparatus 7 for oxygen enrichment connected in series with line 1. The low-pressure chamber 8 is connected to the oxygen tank 5, and the high-pressure chamber 9 with the compressor 10 and the atmosphere through a throttle 11, between which filters 12, a moisture indicator 13, a desiccant 14, a control device 15, a receiver 16, a safety 17 and a check valve 18 are installed and oil sumps 19. Between the oxygen enrichment diffusion apparatus 7 and the safety valve 6, a second oxygen enrichment apparatus 20 is installed.

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. The high-pressure chamber of the diffusion apparatus for oxygen enrichment 20 is connected to the low-pressure chamber 8 of the diffusion apparatus 7 for oxygen enrichment and to the atmosphere through an additionally installed throttle 22, and the low-pressure chamber 23 is connected to the safety valve 6. In the line between the low-pressure chamber of the first diffusion apparatus for oxygen enrichment a compressor 24 is installed, the input of which is connected to the low-pressure chamber 8 of the diffusion enrichment apparatus 7, and the output to the high-pressure chamber 21 d ffuzionnogo unit 20 of oxygen enrichment. The exit from the high-pressure chamber 23 of the diffusion apparatus 20 for oxygen enrichment can be connected to the inlet of the compressor 10 in the discharge line of the diffusion apparatus 7 for enrichment of oxygen with the main 25. The high-pressure chambers 9, 21 and low pressure 8 and 23 of the apparatus 7 and 20 are separated by a polymer membrane 26, made in the form of hollow fibers.

Экспериментально определено, что для каждого вида полимерных мембран существует определенный интервал параметров введния процесса, в котором затраты минимальные. It has been experimentally determined that for each type of polymer membrane there is a certain range of process introduction parameters in which the costs are minimal.

Работа системы. System operation.

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).If it is necessary to use a breathing mixture, a compressor 10 is activated, which draws in intake air from the atmosphere and compresses it to significant pressures (1-15 MPa), for example, up to 150 kg / cm ² (15 MPa).

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. Compressed air, passing through the line through the oil sump 19, check valve 18, dehumidifier 14, filter 12, is cleaned of oil and dust, dried and enters the high pressure chamber 9 of the diffusion apparatus for oxygen enrichment 7, passing through which through throttle 11, which determines the required air consumption, goes into the atmosphere. As is known, in the diffusion apparatus of oxygen enrichment, the process of enrichment of air with oxygen occurs. The essence of the process of membrane separation is the ability of a semi-permeable septum (membrane), standing between the chambers of high and low pressure of the enrichment apparatus, to selectively pass the target components of the separated mixture (air). Moreover, the separation process is carried out at a pressure ratio on both sides of the membrane, equal to 20-200.

Эта селективность достигается за счет разной скорости диффузии компонентов воздуха (кислорода, азота и пр.) через мембрану 26. This selectivity is achieved due to the different diffusion rates of air components (oxygen, nitrogen, etc.) through the membrane 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. The safety valve 17 protects the line and the units behind it from pressure overloads. The receiver eliminates ripple in the line, the control device 15 makes it possible to control the pressure of the mixture in the line.

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. As a result of the enrichment process in the apparatus 7 in the line behind the low-pressure chamber 8, the mixture will have an increased oxygen content. The mixture enriched with oxygen enters for further enrichment in the high-pressure chamber 21 of the diffusion apparatus 20 for enrichment of oxygen. Secondarily oxygen-enriched breathing mixture enters the reservoir of breathing mixture 5 and further along line 1 through a pressure reducer 4 to an oxygen device 3, where it is prepared for supply to an oxygen mask.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что повышается эффективность обогащения, снижаются удельные затраты энергии и повышается эксплуатационная надежность. The technical and economic advantages of the proposed method are that the enrichment efficiency is increased, the specific energy consumption is reduced and the operational reliability is increased.

Claims

METHOD FOR ENRICHING A GAS MIXTURE WITH OXYGEN, including compressing the initial gas mixture, feeding it into the first membrane apparatus containing hollow fibers, dividing it into two streams, one of which is enriched and the second is depleted in oxygen, compression of the oxygen-enriched stream, its supply to the second membrane apparatus , dividing the mixture into two streams and feeding the oxygen-depleted stream of the second separation stage to the inlet of the first apparatus, characterized in that the initial gas mixture is pre-dried, then compressed pressure up to a pressure of 1 15 MPa, and the separation process in the membrane apparatuses is carried out at a pressure ratio on both sides of the membrane 20 200.