Спосіб збагачення пального газу

Реферат: При здійсненні збагачення пального газу для обмеження руйнування/пульверизації адсорбента без подовження періоду, який вимагається для етапу вирівнювання тиску, етап вирівнювання тиску здійснюється через відкривання відкривального/закривального клапана проходу для вирівнювання тиску V4, включеного у прохід для вирівнювання тиску L4, після завершення етапу адсорбції у першій адсорбційній колоні U1 та після завершення етапу десорбції у другій адсорбційній колоні U2, з'єднаної/сполученої з першою адсорбційною колоною через прохід для вирівнювання тиску L4. UA 106650 C2 (12) UA 106650 C2 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь винаходу Даний винахід стосується способу збагачення пального газу, який передбачає секцію подачі газу, до якої подається вихідний газ, секцію випуску газу для випускання відхідного газу, секцію збирання газу для збирання одержаного газу, певну кількість адсорбційних колон, у кожну з яких завантажують адсорбент для вибіркового адсорбування пального газу, прохід для вирівнювання тиску, який сполучає адсорбційні колони одна з одною, та відривальний / закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску, включений у прохід для вирівнювання тиску; спосіб включає: (1) етап адсорбції для подачі вихідного газу до адсорбційних колон із секції подачі газу для забезпечення адсорбції пального газу, який міститься у вихідному газі, до адсорбента і для забезпечення випускання неадсорбованого газу, який не було адсорбовано до адсорбента, із секції випуску газу; (2) етап десорбції для забезпечення десорбції пального газу, адсорбованого до адсорбента, з адсорбента та видалення десорбованого пального газу назовні через секцію збирання газу; вищезазначені етапи (1), (2) здійснюються почергово; і (3) етап вирівнювання тиску, який здійснюють між парою адсорбційних колон, сполучених через прохід для вирівнювання тиску, після етапу адсорбції в одній адсорбційній колоні та після етапу десорбції у другій адсорбційній колоні, у відкритому режимі відривального / закривального клапана проходу для вирівнювання тиску у проході для вирівнювання тиску. Рівень техніки Як правило, пальний газ є вибухонебезпечним. Як відомо, коли пальний газ міститься у заданому діапазоні концентрації, наприклад, у вихідному газі, існує можливість вибуху. Діапазон концентрації, який є вибухонебезпечним, може бути різним, залежно від типу пального газу. Однак, як правило, вважається, що вибухонебезпечний діапазон існує тоді, коли пальний газ міститься у кількості приблизно від 5 до 20 об'ємн. %. Також вважається, що у разі газу метану існує можливість вибуху у подібному діапазоні концентрацій. Крім того, вважається, що можливість вибуху пального газу є пов'язаною не лише з концентрацією пального газу, але й з присутністю газу кисню у заданому діапазоні концентрації. Цей діапазон концентрації існує тоді, коли газ кисень міститься у кількості 10 об'ємн. % або більше. Таким чином, при поводженні з газом, який містить пальний газ, слід дотримуватися заходів безпеки з врахуванням вищеописаних діапазонів концентрації пального газу та газу кисню. Зокрема, у разі газу, який містить пальний газ або газ кисень у діапазоні, наближеному до вибухонебезпечного діапазону концентрації, важливо триматися за межами вищеописаного діапазону концентрації через регулювання діапазону концентрації пального газу або газу кисню. У даному разі газ метан після збагачення має відносно високу концентрацію (концентрація метану приблизно 60 об'ємн. %), яка перебуває поза вибухонебезпечним діапазоном концентрації. З іншого боку, у разі відхідного газу, одержаного шляхом видалення певної кількості метану з шахтного газу (який має концентрацію метану приблизно 44 об'ємн. % та концентрацію газу кисню приблизно 12 об'ємн. %) цей відхідний газ містить відносно низьку концентрацію газу метану (концентрація газу метану 44 об'ємн. % або менше). Крім того, зазначений відхідний газ також містить задану концентрацію (концентрація газу кисню приблизно 12 об'ємн. % або більше). Таким чином, у цьому відхідному газі концентрація газу метану та концентрація газу кисню може перебувати у відповідному вибухонебезпечному діапазоні. Отже, виникає проблема, пов'язана з можливістю вибуху відхідного газу. У цьому зв'язку, у разі здійснення збагачення з відповідним застосуванням адсорбційної колони, яка містить адсорбент для вибіркового адсорбування пального газу, зазвичай на етапі адсорбції вихідний газ вводять у секцію подачі газу, а решту газу після адсорбції випускають через секцію випуску газу, яка є передбаченою на протилежній стороні від секції подачі газу. Керування адсорбцією на цьому етапі адсорбції здійснюють, враховуючи концентрацію пального газу у відхідному газі, який має випускатися назовні, у зв'язку з вищеописаною межею вибухонебезпечності. Наприклад, у зв'язку з кількістю адсорбента, який тримається всередині адсорбційної колони, заздалегідь одержують період адсорбції, який обмежує концентрацію пального газу, який виводиться як відхідний газ, на рівні, нижчому за межу вибухонебезпечності. Потім, оскільки адсорбція здійснюється з врахуванням цього періоду адсорбції як верхньої межі, мають підтримуватися сприятливі робочі умови. У цьому разі внутрішній простір адсорбційної колони після етапу адсорбції перебуває під тиском вихідного газу, який до нього подається. Потім, оскільки адсорбент адсорбує, головним чином, пальний газ, у решті простору всередині адсорбційної колони виникають гази (здебільшого повітря), відмінні від пального газу, як забруднювачі. 1 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Крім того, пальний газ, який був адсорбований до адсорбційної колони, виводиться на етапі десорбції через газозбиральний прохід. Однак газ, який десорбується з адсорбента на ранній стадії на етапі десорбції, містить гази, відмінні від пального газу, як забруднювачі. Таким чином, для одержання пального газу високого ступеня очищення, цей газ не може збиратися безпосередньо як одержаний газ. Натомість перевагу віддають подальшому очищенню цього газу для видалення з нього пального газу. Таким чином, чистота одержаного газу може бути збільшена, і водночас також може бути збільшена пропорція зібраного пального газу. Тим часом, з врахуванням зміни тиску всередині кожної адсорбційної колони, внутрішній простір адсорбційної колони після етапу адсорбції перебуває в умовах високого тиску. З іншого боку, внутрішній простір адсорбційної колони після етапу десорбції перебуває в умовах максимально зниженого тиску через виконання випуску з нього пального газу. Крім того, коли має бути здійснений ще один етап адсорбції після завершення етапу десорбції, тиск поступово підвищують з вищеописаного стану сильно зниженого тиску для того, щоб підготувати умови, які забезпечують можливість адсорбції пального газу, з переходом, таким чином, до адсорбування пального газу у вихідному газі. Потім, якщо передбачено прохід для вирівнювання тиску, який сполучає адсорбційні колони, і відривальний / закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску є включеним у цей прохід для вирівнювання тиску, коли адсорбційна колона, в якій завершено етап адсорбції (ця адсорбційна колона далі вказується як "перша адсорбційна колона"), є готовою до початку етапу десорбції, газ, десорбований з адсорбента (цей газ далі вказується як "газ ранньої десорбції"), може подаватися до іншої адсорбційної колони, яка є готовою до початку етапу адсорбції (ця адсорбційна колона далі вказується як "друга адсорбційна колона"). При цьому пальний газ, який міститься у газі ранньої десорбції, може подаватися до другої адсорбційної колони для застосування на наступному етапі адсорбції, який має в ній здійснюватися. Таким чином, у першій адсорбційній колоні концентрація пального газу, який збирається на наступному етапі десорбції, може збільшуватися, тоді, як у другій адсорбційній колоні пальний газ може збиратися з газу ранньої десорбції зі збільшенням тиску, що вимагається для переходу до етапу адсорбції (так званого етапу вирівнювання тиску). (див. Патентний документ 1). Документ існуючого рівня техніки Патентний документ Патентний документ 1: Публікація японської нерозглянутої патентної заявки № 2009-220004. Короткий опис винаходу Мета винаходу У цьому зв'язку при виконанні зазначеного етапу вирівнювання тиску газ ранньої десорбції, який подається з першої адсорбційної колони до другої адсорбційної колони, тече з першої адсорбційної колони з максимальним тиском до другої адсорбційної колони з максимально зниженим тиском. З цієї причини на ранній стадії етапу вирівнювання тиску потік стиснутого газу ранньої десорбції негайно спрямовується до другої адсорбційної колони з високою швидкістю. Такий етап вирівнювання тиску, як процес, задіяний в очищенні/збагаченні пального газу, ніяким чином не впливає на збирання одержаного газу, тобто, процес, який знижує його продуктивність. Таким чином, вимагається, щоб етап вирівнювання тиску здійснювався для досягнення максимально можливого ефекту протягом короткого періоду. З цієї причини на етапі вирівнювання тиску газ ранньої десорбції, як правило, подається протягом відносно короткого періоду. В результаті це веде до збільшення швидкості газу ранньої десорбції, який подається з першої адсорбційної колони до другої адсорбційної колони. Таким чином, коли потік газу ранньої десорбції надходить до другої адсорбційної колони, цей потік викликає розрідження в ній адсорбента, що, у свою чергу, веде до руйнування/пульверизації адсорбента. Як захід запобігання зазначеному явищу, може бути передбачено "опір", наприклад, звуження проходу для вирівнювання тиску, з метою обмеження швидкості проходження газу ранньої десорбції через прохід для вирівнювання тиску. Однак, вважається, що такий захід має недоліки, оскільки таке зменшення швидкості потоку газу у проході для вирівнювання тиску веде до відповідного збільшення періоду, який вимагається для вирівнювання тиску, що, у свою чергу, призводить до небажаного зниження продуктивності одержаного газу. З огляду на вищеописану ситуацію, мета даного винаходу полягає в уникненні збільшення періоду, який вимагається для вирівнювання тиску у процесі збагачення пального газу для зменшення кількості випадків руйнування/пульверизації адсорбента. Засоби досягнення мети [Конфігурація 1] 2 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Згідно з характерною особливістю даного винаходу, для досягнення вищезазначеної мети пропонується спосіб збагачення пального газу, який передбачає секцію подачі газу, до якої подається вихідний газ, секцію випуску газу для випускання відхідного газу, секцію збирання газу для збирання одержаного газу, певну кількість адсорбційних колон, у кожну з яких завантажують адсорбент для вибіркового адсорбування пального газу, прохід для вирівнювання тиску, який сполучає адсорбційні колони одна з одною, та відривальний / закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску, включений у прохід для вирівнювання тиску; спосіб включає: (1) етап адсорбції для подачі вихідного газу до адсорбційних колон із секції подачі газу для забезпечення адсорбції пального газу, який міститься у вихідному газі, до адсорбента і для забезпечення випускання неадсорбованого газу, який не було адсорбовано до адсорбента, із секції випуску газу; (2) етап десорбції для забезпечення десорбції пального газу, адсорбованого до адсорбента, з адсорбента та видалення десорбованого пального газу назовні через секцію збирання газу; вищезазначені етапи (1), (2) здійснюються почергово; та (3) етап вирівнювання тиску, який здійснюють між парою адсорбційних колон, сполучених через прохід для вирівнювання тиску, після етапу адсорбції в одній адсорбційній колоні (далі вказується як "перша адсорбційна колона") та після етапу десорбції у другій адсорбційній колоні (далі вказується як "друга адсорбційна колона") у відкритому режимі відривального / закривального клапана проходу для вирівнювання тиску у проході для вирівнювання тиску; причому спосіб також включає попередній етап вирівнювання тиску, який здійснюється на початку етапу вирівнювання тиску в другій адсорбційній колоні для подачі газу (далі вказується як "буферний газ") до другої адсорбційної колони з позиції, відмінної від позиції з'єднання проходу для вирівнювання тиску з другою адсорбційною колоною. В оптимальному варіанті прохід, відмінний від проходу для вирівнювання тиску, передбачено у позиції навпроти позиції з'єднання проходу для вирівнювання тиску з другою адсорбційною колоною. [Функція/ефект 1] Тобто, при вищеописаній конфігурації етап вирівнювання тиску здійснюється між парою адсорбційних колон, сполучених між собою через прохід для вирівнювання тиску, після етапу адсорбції у першій адсорбційній колоні та після етапу десорбції у другій адсорбційній колоні у відкритому режимі відривального / закривального клапана проходу для вирівнювання тиску у проході для вирівнювання тиску (тобто, у часовому зв'язку з етапом вирівнювання тиску у першій адсорбційній колоні попередній етап вирівнювання тиску здійснюється у другій адсорбційній колоні на ранній стадії етапу вирівнювання тиску у цій другій адсорбційній колоні). Таким чином, збагачення пального газу може бути виконане у високоефективний спосіб. Крім того, у другій адсорбційній колоні, якщо швидке введення до неї газу ранньої десорбції на початку етапу вирівнювання тиску обмежується, як описано вище, газ ранньої десорбції, який згодом має надходити до цієї другої адсорбційної колони, тече до другої адсорбційної колони відносно прямо. Таким чином, це з меншою ймовірністю призводитиме до розрідження адсорбента, і немає потреби у підтриманні подачі буферного газу протягом усього етапу вирівнювання тиску. Крім того, згідно з даним винаходом, при здійсненні попереднього етапу вирівнювання тиску, введення буферного газу здійснюється лише на початку етапу вирівнювання тиску. Таким чином, завантажувана кількість буферного газу до другої адсорбційної колони також може бути малою, і це завантаження не перешкоджає й не затримує наступний етап адсорбції. У зазначеній конструкції при здійсненні попереднього етап вирівнювання тиску для подачі газу до другої адсорбційної колони з позиції, протилежної позиції з'єднання проходу для вирівнювання тиску з другим проходом для вирівнювання тиску цей газ, який подається, тече до другої адсорбційної колони у напрямку, протилежному напрямкові газу (далі вказується як "газ ранньої десорбції"), який надходить до другої адсорбційної колони на етапі вирівнювання тиску. Тобто, на етапі вирівнювання тиску, коли газ ранньої десорбції з першої адсорбційної колони має надійти до другої адсорбційної колони, цей газ маж надходити до другої адсорбційної колони у напрямку, протилежному напрямкові буферного газу. При цьому потік газу ранньої десорбції та потік буферного газу взаємно знищуються, і, таким чином, швидкість газу ранньої десорбції, який тече до другої адсорбційної колони, знижується. Це дозволяє полегшити вищеописану ситуацію, коли газ ранньої десорбції зіштовхується з адсорбентом на високій швидкості, таким чином, створюючи турбулентний потік і викликаючи розрідження адсорбента, що зрештою призводить до його руйнування/пульверизації. 3 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таким чином, з видаленням чинника, який призводить до руйнування/пульверизації адсорбента, з'явилася можливість подовження терміну служби адсорбента та стійкого функціонування системи збагачення пального газу. [Конфігурація 2] В оптимальному варіанті прохід для вирівнювання тиску з'єднується з нижньою частиною адсорбційної колони, а секцію випуску газу передбачено на верхній частині адсорбційної колони, і передбачено секція подачі газу для подачі газу (буферного газу) через секцію випуску газу в адсорбційну колону. [Функція/ефект 2] Тобто, якщо прохід для вирівнювання тиску та секція подачі газу є передбаченими у позиціях навпроти одне одного, відповідні потоки взаємно знищуються, таким чином, зменшуючи явище розрідження та наступного руйнування та пульверизації адсорбента. Крім того, якщо прохід для вирівнювання тиску та прохід для подачі газу розподіляються по верхній та нижній сторонах адсорбційної колони, і це розташування служить для обмеження прямого зіткнення між газом ранньої десорбції та буферним газом, що, у свою чергу призводить до створення турбулентного потоку всередині адсорбційної колони. Отже, чинник, який призводить до розрідження адсорбента, може бути усунутий ще ефективніше. Короткий опис фігур [Фіг. 1] є схематичним зображенням системи збагачення пального газу, [Фіг. 2] є конфігураційною діаграмою, яка показує відповідні етапи від (a) до (d) способу збагачення пального газу, [Фіг. 3] є конфігураційною діаграмою, яка показує відповідні етапи від (e) до (h) способу збагачення пального газу, і [Фіг. 4] є діаграмою процесу, яка показує часовий цикл спосіб збагачення пального газу. Режими втілення винаходу Нижче описується система збагачення пального газу (далі скорочено вказується як "система PSA") для застосування згідно з запропонованим у винаході способом збагачення пального газу. Далі описуються деякі оптимальні варіанти втілення. Однак, слід розуміти, що ці відповідні варіанти втілення описуються лише з метою пояснення даного винаходу, і існує можливість різних змін, якщо такі зміни не відхиляються від сутності даного винаходу, і даний винахід не обмежується представленим нижче описом. Система PSA, яка стосується даного винаходу, як показано на Фіг. 1, включає першу та другу адсорбційні колони U1, U2, у які завантажують адсорбенти a1 та a2, відповідно. Система також включає контролер C для контролю над відривальними / закривальними клапанами V1-V5 і т. д., включеними у проходи для газу L1-L5, сполучені з відповідними адсорбційними колонами U1, U2. Кожна адсорбційна колона U1, U2 включає, як проходи для газу, прохід для подачі вихідного газу L1 для подачі певної кількості вихідного газу до відповідної адсорбційної колони U1, U2, а також включає прохід для випуску відхідного газу L2 для випускання решти газу (відхідного газу) після завершення адсорбції пального газу адсорбентом a1, a2 з подачею газу через прохід для подачі вихідного газу L1. Крім того, передбачено прохід для збирання одержаного газу L3 для збирання певної кількості одержаного газу як збагаченого газу, зібраного з першої та другої адсорбційних колон U1, U2 у резервуарі для продукту T3. Крім того, між першою та другою адсорбційними колонами U1, U2, передбачено прохід для вирівнювання тиску L4 для здійснення етапу вирівнювання тиску, який описується нижче. Вищеописаний прохід для випуску відхідного газу L2 комбінується й з'єднується з прохід для подачі повітря L5 для подачі певної кількості повітря як "буферного газу" у першу та другу адсорбційні колони U1, U2. По приведенню в дію вакуумного насоса P3, встановленого у газозбиральному проході L3, пальний газ як одержаний газ, адсорбований адсорбентами a1, a2, може збиратися з першої та другої адсорбційних колон U1, U2 у резервуар для продукту T3 в умовах підвищеного тиску (позитивний тиск всередині резервуара для продукту T3). Крім того, під час подачі з цього резервуара для продукту T3 через прохід для подачі повітря L5 у першу та другу адсорбційні колони U1, U2 одержаний газ, що подається, має підвищену концентрацію пального газу. Вихідним газом, який застосовується згідно з даним винаходом, є газ, який містить пальний газ та повітря. Замість нього вихідним газом може бути шахтний газ, який містить газ метан та повітря. Крім того, пальний газ не обмежується конкретним газом, якщо цей газ має горючі властивості, але він може бути газом метаном, який міститься у шахтному газі. У цьому зв'язку термін "шахтний газ" означає газ, який виробляється у вугільній шахті. Хоча він може бути різним, залежно від умов, шахтний газ містить газ метан у кількості приблизно від 20 до 40 4 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 об'ємн. % та повітря (яке здебільшого містить газ азот та газ кисень) у кількості приблизно від 60 до 80 об'ємн. %. Як вихідний газ, шахтний газ, зібраний з вугільної шахти, може переміщуватися в умовах поточного тиску до відповідної адсорбційної колони U1, U2. До першої та другої адсорбційних колон U1, U2 завантажують адсорбенти a1, a2 всередину відповідних циліндричних резервуарів. Кожна з адсорбційних колон U1, U2 включає секцію подачі газу 1, секцію випуску газу 2, секцію збирання газу 3, секцію вирівнювання тиску 4, і проходи для газу L1-L5 і т. д. для введення / випускання газу є сполученими з колонами. Більш докладно, до секції подачі газу 1 під'єднується прохід для подачі вихідного газу L1. До секції випуску газу 2 під'єднуються прохід для випуску відхідного газу L2 та прохід для подачі повітря L5. До секції збирання газу 3 під'єднується прохід для збирання одержаного газу L3. І до секції вирівнювання тиску 4 під'єднується прохід для вирівнювання тиску L4. Крім того, прохід для подачі вихідного газу L1 має включені або змонтовані на ньому насос для подачі вихідного газу P1 та відкривальні / закривальні клапани V1, V10, V11, V12. Прохід для випуску відхідного газу L2 має включені або змонтовані на ньому відкривальні / закривальні клапани V2, V20, V21, V22 та насос для подачі під тиском P2 для зберігання певної кількості відхідного газу у резервуар для відхідного газу T2. Прохід для збирання одержаного газу L3 має включені або змонтовані на ньому відкривальні / закривальні клапани V31, V32 та вакуумний насос P3. Крім того, прохід для вирівнювання тиску L4 включає відкривальний / закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску L4. Крім того, прохід для подачі повітря L5 має включені або змонтовані на ньому відкривальний / закривальний клапан V5 та насос для подачі буферного газу P5. Адсорбенти a1, a2 не обмежуються конкретними адсорбентами, а можуть бути будь-якими адсорбентами, здатними вибірково адсорбувати пальний газ. Однак як адсорбент a1, a2 в оптимальному варіанті застосовують адсорбент a1, a2 для газу метану, наприклад, принаймні один, вибраний з групи, до якої належать активоване вугілля, цеоліт, силікагель, металоорганічний комплекс (фумарат міді, терефталат міді, циклогександикарбоксилат міді і т. ін.), який має середній діаметр пор від 0,45 до 1,5 нм, як визначається MP-способом, та кількість адсорбції метану 20 Нмл/г або більше при атмосферному тиску та 298 K. У цьому зв'язку середній діаметр пор в оптимальному варіанті становить від 0,45 до 1,5 нм, у ще кращому варіанті – від 0,5 до 0,95 нм. Крім того, кількість адсорбції метану в оптимальному варіанті становить 25 Нмл/г або більше. Наприклад, активоване вугілля, як вказано вище, може бути одержане у такий спосіб. Певну кількість кокосового лушпиння або вугілля кокосового лушпиння повністю обвуглюють при 600 °C у газоподібному азоті, для одержання у такий спосіб певної кількості карбіду. Потім його подрібнюють на порошок з діаметром частинок від 1 до 3 мм. Одержаний в результаті матеріал застосовують як вуглецевмісний матеріал. Потім, при застосуванні реактора активації періодичного потоку, вуглецевмісний матеріал активують при 860 °C в атмосфері, яка містить водяну пару у кількості від 10 до 15 об'ємн. %, діоксид вуглецю у кількості від 15 до 20 об'ємн. % і решту складає азот. При вищеописаному застосуванні газу метану адсорбент a1, a2, здатний вибірково адсорбувати газ метан при атмосферному тиску та 298K, цей адсорбент 21a для газу метану може достатньою мірою адсорбувати газ метан навіть при атмосферному тиску та 298 K. Тобто, якщо кількість адсорбції метану при атмосферному тиску та 298 K є меншою за 20 Нмл/г, ефективність адсорбції газу метану при низькому тиску (зокрема, наближеному до атмосферного тиску) погіршується, і, таким чином, концентрація газу метану у газі метані після збагачення буде нижчою, і для підтримання адсорбційної здатності виникає необхідність у збільшенні кількості адсорбента a1, 2a для газу метану, що веде до необхідності у збільшенні пристрою. У цьому зв'язку, хоча верхня межа вищеописаної кількості адсорбції газу метану не обмежується конкретним значенням, кількість адсорбції газу метану наявного адсорбента a1, a2 для газу метану становить приблизно 40 Нм/г або менше. Крім того, якщо середній діаметр пор, як визначається MP-способом, є меншим за 0,45 нм, це веде до збільшення кількості адсорбції газів кисню та азоту. В результаті відбувається зниження концентрації газу метану у газі метані після збагачення або зниження швидкості адсорбції через наближення середнього діаметра пор до діаметра молекули газу метану, що в результаті може призводити до погіршення адсорбційної здатності стосовно газу метану або навіть повної нездатності до адсорбції. З іншого боку, якщо середній діаметр пор, як визначається MP-способом, є більшим за 1,5 нм, це призводить до зниження адсорбційної здатності стосовно газу метану при низькому тиску (зокрема, наближеному до атмосферного 5 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тиску), і, таким чином, концентрація газу метану у газі метані після збагачення буде нижчою і для підтримання адсорбційної здатності виникає необхідність у збільшенні кількості адсорбента для газу метану a1, a2, що веде до необхідності у збільшенні пристрою. Таким чином, перевагу віддають застосуванню адсорбента a1, a2 для газу метану, яким може бути принаймні один, вибраний з групи, до якої належать активоване вугілля, цеоліт, силікагель, металоорганічний комплекс який має середній діаметр пор від 0,45 до 1,5 нм, як визначається MP-способом, та кількості адсорбції метану 20 Нмл/г або більше при атмосферному тиску та 298 K. Крім того, в оптимальному варіанті, адсорбент a1, a2 для газу метану має об'єм пор з визначеним HK-способом середнім діаметром пор 1,0 нм або менше 50 % або більше, у ще кращому варіанті – 70 % або більше, у ще кращому варіанті – 80 % або більше. У цьому разі, оскільки адсорбент, який має середній діаметр пор 1,0 нм або менше, здатний вибірково адсорбувати газ метан, займає 50 % або більше від загального об'єму пор, існує можливість збільшення кількості адсорбції газу метану при тиску, нижчому за атмосферний (приблизно 0,1 МПа), таким чином, що газ метан може адсорбуватися достатньо рівномірно при цьому нижчому за атмосферний тиску. У цьому зв'язку на практиці об'єм пор з середнім діаметром пор, більшим за 0,4 нм, який представляє межу визначення, і меншим за 1,0 нм, має складати 50 % або більше від загального об'єму пор. Крім того, у ще кращому варіанті адсорбент a1, a2 для газу метану повинен мати об'єм пор для середнього діаметра пор, більшого за 0,45 нм і меншого за 1,0 нм, який складає 50 % або більше. З іншого боку, адсорбент a1, a2 для газу метану повинен мати таку кількість адсорбції азоту при 77 K, щоб ця кількість адсорбції азоту при відносному тиску 0,013, що відповідає визначеному HK-способом середньому діаметрові пор 1,0 нм, становила 50 % або більше, в оптимальному варіанті – 70 % або більше, у ще кращому варіанті – 80 % або більше. У цьому разі кількість адсорбції при відносному тиску 0,99 представляє загальний об'єм пор, а кількість адсорбції при відносному тиску 0,013 представляє об'єм пор 1,0 нм або менше. Пропорція кожного з вищезазначених значень означає пропорцію пор 1,0 нм або менше, яка є високою, як у вищеописаному випадку. В результаті у разі використання суміші газу метану та повітря і як вихідного газу, збагачення газу метану при наближеному до атмосферного тиску також може здійснюватися легко й ефективно. Далі описується спосіб збагачення пального газу, який має здійснюватися у відповідній адсорбційній колоні U1, U2, з посиланням на Фігури 2-3. У цьому зв'язку надалі перша адсорбційна колона U1 пояснюватиметься як приклад адсорбційних колон U1, U2. Обговорення продовжується на основі застосування проходів для газу L1-L5, з застосуванням відкривальних / закривальних клапанів V1-V5, і подібні операції також здійснюються у другій адсорбційній колоні U2. Тим часом на фігурах відкриті клапани V1-V5 та проходи для газу L1-L5 в умовах потоку газу показуються чорним і жирними лініями; а закриті клапани або клапани, не пов'язані з конкретним етапом V1-V5, та проходи для газу L1-V5 в умовах протікання газу показано білим і тонкими лініями. На цьому етапі адсорбції, як показано на Фіг. 2 (a), певну кількість вихідного газу вводять у першу адсорбційну колону U1 таким чином, щоб пальний газ у ній адсорбувався до адсорбента a1, а решту газу випускають назовні. У цьому процесі відкривальні / закривальні клапани V1, V11 у проході для подачі вихідного газу L1 та відкривальні / закривальні клапани V2, V21 у проході для випуску відхідного газу L2 є відкритими, тоді, як відкривальний / закривальний клапан V10 у проході для подачі вихідного газу L1, відкривальний / закривальний клапан V20 у проході для подачі відхідного газу L2, відкривальний / закривальний клапан V31 у проході для збирання одержаного газу L3 та відкривальний / закривальний клапан V4 для вирівнювання тиску у проході для вирівнювання тиску L4 є закритими. У зазначеній конструкції всередині першої адсорбційної колони U1 пальний газ може адсорбуватися до адсорбента a1, а решта, яку складає баластний газ як відхідний газ, може випускатися назовні. Цей етап адсорбції здійснюється протягом 120 секунд. У цьому зв'язку у вищезазначеному процесі етап десорбції здійснюється у другій адсорбційній колоні U2. Всередині першої адсорбційної колони U1, яку в даний момент застосовують у процесі адсорбції, пальний газ адсорбується до адсорбента a1, і баластний газ з підвищеною концентрацією є присутнім у решті її простору. Якщо етап десорбції здійснюється в цих умовах, баластний газ домішується до одержаного газу, а також баластний газ, який було адсорбовано 6 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 до адсорбента a1, є схильним до спонтанної десорбції з нього раніше за одержаний газ. Таким чином, баластний газ, який міститься у газі, який десорбується з адсорбента a1 на ранній стадії етапу десорбції, випадково змішуватиметься з одержаним газом. Таким чином, на цьому етапі вирівнювання тиску, як показано на Фіг. 2 (b), (c), встановлюється сполучення між першою та другою адсорбційними колонами U1, U2, таким чином, щоб забезпечувалася можливість сполучення газів між цими адсорбційними колонами U1, U2 та вирівнювання тиску між ними. Тобто, етап вирівнювання тиску стає можливим через відкривання проходу для вирівнювання тиску V4 у проході для вирівнювання тиску L4 з закриванням усіх інших клапанів V11, V21 та V31. У зазначеній конструкції всередині першої адсорбційної колони U1 майже вся кількість баластного газу, адсорбованого до адсорбента a1, десорбується й випускається разом з кількістю баластного газу, присутнього у решті простору як газ ранньої десорбції, до другої адсорбційної колони U2. Крім того, тиск всередині першої адсорбційної колони U1 знижується до певної міри, щоб бути придатним для етапу десорбції. Цей етап вирівнювання тиску здійснюється протягом 20 секунд. У цьому зв'язку у вищезазначеному процесі у другій адсорбційній колоні U2 попередній етап вирівнювання тиску та головний етап вирівнювання тиску здійснюються як етап вирівнювання тиску. Більш детально, на етапі вирівнювання тиску у другій адсорбційній колоні U2, як показано на Фіг. 2 (b), перед головним етапом вирівнювання тиску здійснюється попередній етап вирівнювання тиску для здійснення вирівнювання тиску при змішуванні кількості повітря як буферного газу з проходу L2 для випуску газу. Після цього введення буферного газу припиняється, і здійснюється головний етап вирівнювання тиску (див. Фіг. 2 (c)). На цьому етапі десорбції, як показано на Фіг. 2 (d) та Фіг. 3 (e), з адсорбента a1, який міститься в адсорбційній колоні U1, адсорбований пальний газ піддають вакуум-екстракції й збирають через газозбиральний прохід L3. У цьому процесі вакуумний насос P3, встановлений у проході для збирання одержаного газу L3, приводять у дію, і лише відкривальний / закривальний клапан V31 у проході для збиранняодержаного газу L3 відкривають, а інші відкривальні / закривальні клапани V11, V21, V4 є закритими. Таким чином, забезпечується можливість здійснення етапу десорбції. При вищеописаній вакуум-екстракції метан, адсорбований до адсорбента a1, може збиратись у резервуар для одержаного газу T3. Цей етап десорбції здійснюється протягом 140 секунд. У цьому зв'язку у зазначеному процесі всередині другої адсорбційної колони U2 послідовно здійснюють етап підвищення тиску (Фіг. 2 (d)) та етап адсорбції (Фіг. 3 (e)). Внутрішній простір першої адсорбційної колони U1, у який щойно було здійснено етап десорбції, перебуває у стані сильно зниженого тиску. Отже, існує необхідність у поверненні його до умов тиску, прийнятних для етапу адсорбції, який має здійснюватися далі. Для цього вирівнювання тиску здійснюється шляхом установлення сполучення між першою та другою адсорбційними колонами U1, U2 для забезпечення можливості сполучення газів між цими адсорбційними колонами U1, U2. Таким чином, змішаний газ всередині другої адсорбційної колони U2, який складається з баластного газу та пального газу, спрямовується у першу адсорбційну колону U1, и здійснюються повторне збирання пального газу з другої адсорбційної колони U2 та операція підвищення тиску в першій адсорбційній колоні U1. Однак існує значна різниця між внутрішнім тиском у першій адсорбційній колоні U1 відразу після завершення етапу десорбції та внутрішнім тиском у другій адсорбційній колоні U2 відразу після завершення етапу адсорбції. Отже, якби етап вирівнювання тиску здійснювався безпосередньо, в результаті це б призвело до введення газу ранньої десорбції з високою швидкістю у першу адсорбційну колону U1. Потім, через швидкість та збурення потоку газу, може відбутися розрідження адсорбента a1, що, у свою чергу, призводить до руйнування та пульверизації адсорбента. З цієї причини перед етапом вирівнювання тиску на початку етапу вирівнювання тиску здійснюється попередній етап вирівнювання тиску. На цьому попередньому етапі вирівнювання тиску, як показано на Фіг. 3 (f), газ ранньої десорбції з другої адсорбційної колони U2 приймається через прохід для вирівнювання тиску, і водночас певну кількість повітря як буферного газу вводять під атмосферним тиском через секцію випуску газу 2. Більш конкретно, відкривальні / закривальні клапани V20, V21 секції випуску газу 2, відкривальний / закривальний клапан V2 проходу для випуску відхідного газу L2, відкривальний / закривальний клапан V31 проходу для збирання одержаного газу L3 закриваються, і повітря подається за допомогою насоса для подачі буферного газу P5 через прохід для подачі повітря L5; також відкривальний / закривальний клапан проходу для 7 UA 106650 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вирівнювання тиску V4 проходу для вирівнювання тиску L4 відкривається для приймання газу ранньої десорбції з другої адсорбційної колони U2. У такий спосіб здійснюється вирівнювання тиску. У вищезазначеному процесі шляхом подачі газу ранньої десорбції через прохід для вирівнювання тиску у першу адсорбційну колону U1 та подачі буферного газу із секції випуску газу 2 перепад тиску у першій адсорбційній колоні U1 може бути знижений до 15 кПа або менше, а без подачі буферного газу він становив би 40 кПа. Візуально було підтверджено, що в адсорбенті, завантаженому у першу адсорбційну колону, розрідження не відбувалося. У цьому зв'язку у другій адсорбційній колоні U2 етап вирівнювання тиску здійснюється паралельно з попереднім етапом вирівнювання тиску. Через попередній етап вирівнювання тиску газ ранньої десорбції, який тече у першу адсорбційну колону U1, ректифікується. Таким чином, навіть при припиненні введення буферного газу можуть підтримуватись умови обмеження розрідження адсорбента. Таким чином, перша адсорбційна колона U1 після завершення вищеописаного попереднього етапу вирівнювання тиску переходить до головного етапу вирівнювання тиску. На цьому головному етапі вирівнювання тиску, як показано на Фіг. 3 (g), встановлюється сполучення між першою адсорбційною колоною та другою адсорбційною колоною U1, U2, що, таким чином, забезпечує можливість сполучення газу лише між цими адсорбційними колонами U1, U2, таким чином, забезпечуючи вирівнювання тиску між ними. Більш конкретно, головний етап вирівнювання тиску стає можливим через відкривання відкривального / закривального клапана V4 проходу для вирівнювання тиску проходу для вирівнювання тиску L4 та закривання всіх інших відкривальних / закривальних клапанів V11, V21, V31. Крім того, у вищезазначеному процесі етап вирівнювання тиску також здійснюється у другій адсорбційній колоні U2. У цьому зв'язку попередній етап вирівнювання тиску та головний етап вирівнювання тиску у першій адсорбційній колоні U1 здійснюються протягом приблизно 2 секунд та приблизно 18 секунд, відповідно, тоді, як попередній етап вирівнювання тиску та головний етап вирівнювання тиску у другій адсорбційній колоні U2 здійснюються протягом приблизно 20 секунд, відповідно. Коли здійснюється наступний етап адсорбції у першій адсорбційній колоні U1 після завершення в ній етапу десорбції, тиск, при якому адсорбент може ефективно розпочати адсорбцію пального газу, є наближеним до атмосферного тиску. Однак на вищеописаному етапі вирівнювання тиску, який здійснюється лише протягом періоду до достатнього підвищення концентрації пального газу у газі ранньої десорбції, достатнє підвищення тиску є неможливим. Потім, окремо від підвищення тиску на етапі вирівнювання тиску, здійснюється етап підвищення тиску для підвищення тиску шляхом подачі газу до першої адсорбційної колони U1. На цьому етапі підвищення тиску, як показано на Фіг. 3 (h), під тиском подають певну кількість повітря з секції подачі повітря 5 у першу адсорбційну колону U1 для підвищення тиску всередині першої адсорбційної колони U1 до наближеного до атмосферного тиску. Більш конкретно, створення тиску всередині першої адсорбційної колони U1 здійснюється шляхом відкривання відкривальних / закривальних клапанів V21, V20, V5 та закривання інших відкривальних / закривальних клапанів V11, V31, V4. Цей етап підвищення тиску здійснюється протягом 20 секунд. У першій адсорбційній колоні U1 після завершення етапу підвищення тиску знову здійснюють етап адсорбції зі здійсненням часового циклу, відповідні етапи якого показано на Фіг. 4. Тобто, періодично здійснюють 320-секундний часовий цикл, який складається з 120 секунд етапу адсорбції, 20 секунд етапу вирівнювання тиску, 140 секунд етапу десорбції і 2 секунд попереднього етапу вирівнювання тиску та 18 секунд головного етапу вирівнювання тиску, скомбінованих в етап вирівнювання тиску, та 20 секунд етапу підвищення тиску. [Інші варіанти втілення] У викладеному вище варіанті втілення винаходу часові цикли здійснюють почергово у двох колонах. Натомість часові цикли можуть виконуватись у більшій кількості колон по черзі або послідовно. Крім того, у викладеному вище варіанті втілення етап підвищення тиску здійснюється як попередній етап перед етапом адсорбції. Однак це не є суттєвим для даного винаходу. Даний винахід може застосовуватися до будь-якої системи, в якій етап вирівнювання тиску здійснюється у процесі почергового здійснення етапу адсорбції та етапу десорбції. Крім того, якщо одержаний газ застосовується як газ, призначений для використання на попередньому етапі вирівнювання тиску та етапі підвищення тиску, це сприяє поліпшенню чистоти продукту. Також при застосуванні повітря це сприяє збільшенню виходу продукту. У ще одному альтернативному варіанті також існує можливість застосування відхідного газу, який 8 UA 106650 C2 5 10 15 20 зберігається в резервуарі для відхідного газу T2, напівобробленого (напівпродукту) газу або вихідного газу. У цьому зв'язку, у разі, коли газ подають з резервуара для продукту T3 або резервуара для відхідного газу T2, забезпечується додаткова перевага подачі газу при ефективному використанні тиску всередині резервуара T2 або T3, що, у свою чергу, сприяє заощадженню енергії, яку споживає насос P2. Промислова застосовність Згідно з даним винаходом, з'явилася можливість забезпечення системи збагачення пального газу, яка може працювати з високою ефективністю при ефективному обмеженні руйнування/пульверизації адсорбента. Опис умовних позначень/номерів U1: перша адсорбційна колона U2: друга адсорбційна колона a1, a2: адсорбент метану L1: прохід для подачі вихідного газу L2: прохід для випуску відхідного газу L3: прохід для збирання одержаного газу L4: прохід для вирівнювання тиску V4: відкривальний / закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску L5: прохід для подачі повітря T3: резервуар для продукту P3: вакуумний насос ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 1. Спосіб збагачення пального газу, який передбачає секцію подачі газу, до якої подається вихідний газ, секцію випуску газу для випускання відхідного газу, секцію збирання газу для збирання одержаного газу, певну кількість адсорбційних колон, у кожну з яких завантажують адсорбент для вибіркового адсорбування пального газу, прохід для вирівнювання тиску, який сполучає адсорбційні колони одна з одною, та відкривальний/закривальний клапан проходу для вирівнювання тиску, включений у прохід для вирівнювання тиску; спосіб включає: етап адсорбції для подачі вихідного газу до адсорбційних колон із секції подачі газу для забезпечення адсорбції пального газу, який міститься у вихідному газі, до адсорбента і для забезпечення випускання неадсорбованого газу, який не було адсорбовано до адсорбента, із секції випуску газу; етап десорбції для забезпечення десорбції пального газу, адсорбованого до адсорбента, з адсорбента та видалення десорбованого пального газу назовні через секцію збирання газу; причому етап адсорбції та етап десорбції здійснюються почергово; та етап вирівнювання тиску, який здійснюють між парою адсорбційних колон, сполучених через прохід для вирівнювання тиску, після етапу адсорбції в одній адсорбційній колоні та після етапу десорбції у другій адсорбційній колоні, у відкритому режимі відкривального/закривального клапана проходу для вирівнювання тиску у проході для вирівнювання тиску; причому спосіб також включає попередній етап вирівнювання тиску, який здійснюється на початку етапу вирівнювання тиску в другій адсорбційній колоні для подачі газу до другої адсорбційної колони з позиції, відмінної від позиції з'єднання проходу для вирівнювання тиску з другою адсорбційною колоною. 2. Спосіб збагачення пального газу за п. 1, який відрізняється тим, що прохід для вирівнювання тиску з'єднується з нижньою частиною адсорбційної колони, і на верхній частині адсорбційної колони передбачено секцію випуску газу, а також передбачено секцію подачі газу для подачі газу через секцію випуску газу до адсорбційної колони. 9 UA 106650 C2 10 UA 106650 C2 11 UA 106650 C2 12 UA 106650 C2 13 UA 106650 C2 14 UA 106650 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 15