Способ очистки воздуха от оксида углерода и фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода

Способ очистки воздуха от оксида углерода и фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов наземных и подводных обитаемых объектов, а также от токсичных компонентов выхлопных газов выбрасываемой в атмосферу вентиляционной вытяжки из многоэтажных наземных и подземных гаражей - стоянок закрытого типа, станций техобслуживания, автодорожных тоннелей, складских помещений и терминалов с заездом внутрь автомобильного транспорта, а также для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, а также салонов и кабин наземного транспорта от оксида углерода.

Известен способ очистки воздуха подводного обитаемого объекта от оксида углерода (пат. США №3706535, НКИ 23-288, 1972 г.), согласно которому очищаемый воздух нагревают и подают его на катализатор, температуру которого регулируют, после чего воздух охлаждают и направляют в помещение.

Недостатком такого способа являются необходимость нагрева очищаемого воздуха до достаточно высокой температуры (не ниже 300°С) для обеспечения необходимой степени осушки и для начала каталитической реакции.

Частично эти недостатки устранены в способе очистки воздуха, подаваемого на дыхание (заявка Германии №3103303, В 01 D 53/00, 1982 г.), согласно которому очищаемый воздух из помещения сначала нагревают до 20-30°С, затем направляют в сорбент, после чего нагревают до 55-60°С и направляют на катализатор. Затем осуществляют охлаждение воздуха и направляют его на использование.

Недостатком этого способа является необходимость периодической регенерации сорбента.

Известен также принятый за прототип способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов (RU патент 2172641, кл. В 01 D 53/02, 53/04, 53/86, 35/01), включающий его пропускание через слой сорбента, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, согласно которому перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей и затем нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на 5-30°С, а в качестве сорбента используют сорбент, поглощающий углеводороды и другие органические соединения. При этом в качестве сорбента используют уголь, а в качестве катализатора - гопкалит.

Недостатком известного способа является необходимость периодической регенерации сорбента для восстановления его поглощающей способности и необходимость охлаждения воздуха после его пропускания через слой катализатора. Другим недостатком такого способа является малая надежность - при пропускании недостаточно нагретого воздуха, например при резком увеличении относительной влажности подаваемого на катализатор воздуха (например, во время дождя), происходит отравление парами воды окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов переходных металлов, так как известно, что такие катализаторы (в том числе гопкалит) резко снижают каталитическую активность под воздействием адсорбируемой на его поверхности воды (см., например, Беркман С., Моррел Д., и Эглофф Г., Катализ в органической и неорганической химии, пер. с англ., кн.1-2, М.-Л., 1949). Известно устройство для очистки воздуха подводного обитаемого объекта от оксида углерода (пат. США №3706535, НКИ 23-288, 1972 г.). Устройство содержит катализатор окисления оксида углерода (гопкалит), последовательно соединенные трубчатый теплообменник предварительного подогрева и спиральный электрический подогреватель очищаемого воздуха и теплообменника для охлаждения очищенного от оксида углерода воздуха перед подачей его в помещение.

Недостатком такого устройства являются повышенный расход электроэнергии, связанный с необходимостью разогрева всего потока очищаемого воздуха и неудобство в пользовании из-за высокой его температуры после очистки.

Известна также система для очистки воздуха, подаваемого на дыхание (заявка Германии №3233156, МПК А 62 В 7/10, 1983), включающая устройство для очистки воздуха от оксида углерода с использованием катализатора (например, гопкалита). Устройство содержит корпус, в котором размещен слой катализатора и нагревательное приспособление, состоящее из трех нагревательных элементов, изготовленных из полупроводящего керамического материала (например, допированный титанат бария), имеющего максимальное сопротивление в области температур от +102°С до +110°С. Верхние поверхности нагревательных элементов покрыты электродным материалом, который контактирует с медным кольцевым электродом. Система снабжена регулирующим приспособлением, обеспечивающим работу нагревательных элементов в диапазоне 101-110°С при любых режимах работы. Такая система позволяет получать пригодный для дыхания воздух с требуемой для дыхания степенью очистки от оксида углерода.

Особенностью такого устройства является необходимость подогрева воздуха до 130°С и выше для снижения относительной влажности подаваемого на очистку потока воздуха. Это связано со значительным расходом энергии, затрачиваемой на разогрев воздуха, а также с необходимостью охлаждения очищенного воздуха до комфортной температуры. Проведение этих работ требует соответственно и дополнительных энергозатрат и дополнительных площадей для размещения оборудования из-за сложности устройства. Таким образом, недостатком такого устройства являются повышенный расход электроэнергии, связанный с необходимостью разогрева всего потока очищаемого воздуха и неудобство в пользовании из-за высокой его температуры после очистки.

Наиболее близким к прелагаемому фильтрующему модулю для очистки воздуха от оксида углерода является фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов по патенту РФ 2172641, МПК В 01 D 53/02, 53/04, 53/86, 35/01, включающий цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента и содержащий дополнительный слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора выполнен из гопкалита в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, выполнен из угля и размещен внутри каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом, при этом слои сорбента могут быть отделены друг от друга инертным слоем и модуль дополнительно содержит блок принудительного нагрева очищаемого воздуха.

Известный фильтрующий модуль отличается высокими энергозатратами из-за необходимости производить подогрев всего очищаемого воздуха, причем подогревание воздуха необходимо производить по максимальной температуре, чтобы избежать отравления катализатора влагой очищаемого воздуха при повышении его относительной влажности на входе при выпадении осадков. Другим недостатком известного устройства является сложность конструкции, возникающая из-за необходимости резервирования объема адсорбента для проведения процесса десорбции, т.к. емкость выбранного адсорбента - угля зависит от степени насыщения его поглощаемой примесью, либо производить остановку модуля для проведения регенерации адсорбента, что представляет неудобство для потребителя.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа способа и устройства выбраны технические решения по патенту РФ 2172641.

Технический результат заявляемого изобретения-способа заключается в создании более простого и надежного способа очистки воздуха от оксида углерода и других токсичных примесей.

Технический результат заявляемого изобретения-устройства заключается в создании фильтрующего модуля, обеспечивающего уменьшение энергозатрат на очистку воздуха, упрощение конструкции и уменьшение габаритов и массы адсорбента и устройства в целом, а также исключение остановки работы модуля для проведения регенерации адсорбента.

Технический результат по изобретению-способу достигается тем, что в способе очистки воздуха от оксида углерода, включающем пропускание воздуха через слой адсорбента, а затем через слой катализатора окисления углерода на основе окислов марганца и меди, адсорбент, через который пропускают очищаемый воздух, охлаждают, после катализатора воздух пропускают через подогреваемый адсорбент, после чего изменяют направление воздушного потока на противоположное с одновременным охлаждением адсорбента на входе потока и подогревом адсорбента на выходе, при этом адсорбент охлаждают и подогревают с помощью термоэлектрических элементов, в которых осуществляют переключение направления электрического тока синхронно с изменением направления потока воздуха.

Технический результат по изобретению-устройству достигается тем, что в фильтрующем модуле для очистки воздуха от оксида углерода, содержащем адсорбер, последний соединен на выходе с патроном, в котором помещен катализатор окисления оксида углерода, на входе которого установлен второй адсорбер, оба адсорбера соединены с переключателем воздушного потока и выполнены с внутренним оребрением, соединенным с термоэлектрическими элементами, подключенными к источнику питания через переключатель направления электрического тока.

При этом зазор между ребрами адсорбера не превышает трех диаметров гранул адсорбента.

Адсорбент имеет размер гранул, не превышающий 2 мм. Кроме того, адсорбент может быть нанесен на поверхность оребрения слоем от 0,1 до 1,5 мм.

Отличием предлагаемого способа от известного является иной путь решения проблемы предотвращения отравления катализатора на основе окислов переходных металлов парами воды. В прототипе отравление катализатора водяными парами предотвращается нагревом очищаемого воздуха до температуры выше температуры окружающей среды, что приводит, по утверждению авторов, к относительному смещению адсорбционно-десорбционного равновесия на поверхности катализатора и существенно предотвращает конденсацию на нем водяных паров. Причем, чем выше влажность очищаемого воздуха, тем большим должен быть перепад температуры. В предлагаемом способе очищаемый воздух пропускают через охлаждаемый регенерируемый адсорбент паров воды, что обеспечивает более глубокую осушку воздуха, при которой исключается отравление парами воды катализатора окисления оксида углерода, через который затем пропускают воздух. При последующем пропускании воздуха через подогреваемый регенерируемый адсорбент паров воды происходит регенерация адсорбента сухим воздухом, что исключает необходимость остановки процесса для регенерации адсорбента. Одновременно с этим происходит увлажнение воздуха до влажности, величина которой близка к исходной влажности воздуха, что обеспечивает комфортное дыхание. Кроме того, сокращается потребное количество адсорбента - его требуется на 10-30 минут работы, так как после регенерации адсорбента в замыкающем патроне изменяют направление воздушного потока на противоположное с одновременным охлаждением регенерируемого поглотителя паров воды на входе и подогревом на выходе. При этом отрегенерированный адсорбент начинает работать в режиме адсорбции, а отработавший адсорбент - в режиме десорбции. Это позволяет повысить эффективность процесса за счет исключения необходимости периодической регенерации адсорбента для восстановления его поглощающей способности и необходимости охлаждения воздуха после его пропускания через слой катализатора, а также обеспечить повышение надежности за счет исключения отравления парами воды катализатора окисления оксида углерода.

Кроме того, охлаждение адсорбента, через который пропускают очищаемый воздух, а также пропускание воздуха после катализатора через подогреваемый адсорбент с изменением направления воздушного потока на противоположное и одновременным охлаждением адсорбента на входе потока и подогревом адсорбента на выходе обеспечивает автоматическую регенерацию адсорбента за счет его продувки сухим подогретым воздухом и насыщение очищенного воздуха парами воды с достижением исходной влажности, так как при пропускании через регенерируемый адсорбент нагретого воздуха происходит более полная десорбция паров воды с одновременным снижением температуры воздуха после очистки за счет поглощения тепла адсорбентом при десорбции. Таким образом достигается осушка при комнатной температуре исходного воздуха до относительной влажности, при которой катализатор с необходимой степенью очищает воздух от оксида углерода, а также подачу в помещение очищенного воздуха с влажностью и температурой, близкими к исходным. При этом обеспечивается эффективная работа катализатора за счет подачи на него воздуха с минимальной относительной влажностью, эффективная работа адсорбента за счет обеспечения работы регенерируемого адсорбента при сорбции при пониженной температуре и десорбция при повышенной, нагрев и охлаждение теплообменников за счет изменения направления постоянного тока на термоэлектрические элементы, причем при переключении термоэлектрических элементов происходит экономия электроэнергии за счет перехода части энергии в виде электрического тока от горячего к холодному термоэлементу. Кроме того, обеспечивается уменьшение энергоемкости и габаритов адсорберов, подача в помещение очищенного воздуха с влажностью и температурой, близкими к исходным. Применение термоэлектрических элементов обеспечивает снижение энергоемкости процессов сорбции и десорбции за счет утилизации вырабатываемой термоэлектрическими элементами электроэнергии потребляющими элементами. Все это обеспечивает создание более простого и надежного способа очистки воздуха от оксида углерода и других токсичных примесей.

Синхронное переключение направления электрического тока в термоэлектрических элементах и переключение направления потока воздуха обеспечивает синхронную работу адсорберов, которые за счет этого могут работать неограниченное время без остановок на проведение сорбции и десорбции адсорбента.

Соединение адсорбера на выходе с патроном, в котором помещен катализатор окисления оксида углерода, на входе которого установлен второй адсорбер, и соединение обоих адсорберов с переключателем воздушного потока, а также выполнение их с внутренним оребрением, соединенным с термоэлектрическими элементами, подключенными к источнику питания через переключатель направления электрического тока, обеспечивает уменьшение энергоемкости и габаритов за счет более эффективной работы поглотителя, позволяющей уменьшить потребную массу регенерируемого поглотителя паров воды, а также осуществлять осушку воздуха при комнатной температуре до относительной влажности, при которой катализатор очищает воздух с необходимой степенью от оксида углерода, а также подачу в помещение очищенного воздуха с влажностью и температурой, близкими к исходным. Таким образом обеспечивается уменьшение энергозатрат на очистку воздуха, упрощение конструкции и уменьшение габаритов и массы адсорбента и устройства в целом, а также исключение остановки работы модуля для проведения регенерации адсорбента.

Выполнение зазора между ребрами теплообменника не более трех диаметров гранул осушителя обеспечивает лучшую теплопередачу от телопередающей поверхности, при этом подвод и отвод тепла непосредственно от адсорбента и к адсорбенту происходит за меньший промежуток времени. За счет сокращения продолжительности циклов сорбции-десорбции достигается увеличение производительности, что позволяет осушать воздух меньшим количеством адсорбента. Это позволяет уменьшить массу и габариты осушителей, уменьшить энергоемкость процесса осушки за счет снижения потерь тепла, тем самым обеспечить уменьшение энергоемкости и габаритов, подачу в помещение очищенного воздуха с влажностью и температурой, близкими исходным.

Использование адсорбента с размером гранул не более 2 мм обеспечивает лучшую теплопередачу от теплопередающей поверхности, при этом подвод и отвод тепла непосредственно от адсорбента и к адсорбенту происходит за меньший промежуток времени. За счет сокращения продолжительности циклов сорбции-десорбции достигается увеличение производительности, что также позволяет осушать воздух меньшим количеством сорбента, это позволяет уменьшить массу и габариты адсорберов.

Использование адсорбента, нанесенного на поверхность теплообменника слоем от 0,1 до 1,5 мм, также обеспечивает лучшую теплопередачу от теплопередающей поверхности, при этом подвод и отвод тепла непосредственно от сорбента и к сорбенту происходит за меньший промежуток времени. За счет сокращения продолжительности циклов сорбции-десорбции достигается увеличение производительности, что позволяет осушать воздух меньшим количеством сорбента. Это позволяет уменьшить массу и габариты адсорберов, уменьшить энергоемкость процесса осушки за счет снижения потерь тепла и обеспечивает уменьшение энергоемкости и габаритов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема устройства для очистки воздуха от оксида углерода, причем на фиг.1 показана схема при работе адсорбера 2 в режиме сорбции, а на фиг.2 - в режиме десорбции, на фиг.3 показана конструкция адсорбера и на фиг.4 - конструкция адсорбера с пленочным адсорбентом.

Способ реализуется следующим образом.

Очищаемый воздух последовательно пропускают через адсорбер 2, либо 3, содержащий регенерируемый поглотитель паров воды, например силикагель с размером гранул от 0, 5 до 2 мм, при температуре адсорбента в диапазоне температур от -10 до +50°С, которую регулируют блоком питания 8 путем подачи заданного напряжения на термоэлектрические элементы 7. После этого воздух подают в патрон 4 с катализатором окисления оксида углерода, например с гопкалитом, после патрона с катализатором окисления воздух пропускают через второй адсорбер 3 с регенерируемым адсорбентом паров воды и одновременно с регенерацией адсорбента производят насыщение очищенного воздуха парами воды. При этом поддерживают повышенную температуру в адсорбере 3 за счет нагрева адсорбента на 15-30 градусов выше температуры адсорбера 2 за счет регулирования величины напряжения и направления электрического тока, подаваемого на термоэлектрические элементы 7. После окончания цикла десорбции производят переключение направления воздушного потока и электрического тока в термоэлектрических элементах 7.

Пример 1. Воздух с температурой 20°С, относительной влажностью 60%, концентрацией СО 0,1% и расходом 0,3 м³/ч пропускают через первый адсорбер, охлажденный термоэлектрическим элементом до 10°С. Масса адсорбента (осушителя КСМ-6В) в адсорбере составляет 150 г. В течение 15 мин влажность воздуха на выходе из первого адсорбера и перед входом в патрон с гопкалитом не превышает влажности по точке росы - 35°С, что обеспечивает отсутствие оксида углерода на выходе из патрона с гопкалитом и в целом из устройства. Воздух после патрона с гопкалитом пропускают через второй адсорбер, нагреваемый термоэлектрическим элементом до 35-40°С. Через 15 мин направление воздушного потока и направление электрического тока меняют на противоположное.

Устройство для очистки воздуха от оксида углерода содержит переключатель потока воздуха 1, на входе соединенный с линией подачи воздуха на очистку, а на выходе с адсорберами 2 и 3 с регенерируемым адсорбентом паров воды, и патрон 4 с катализатором окисления оксида углерода (гопкалит). Адсорберы 2 и 3 снабжены теплообменниками 5 и 6, соединенными с термоэлектрическими элементами 7, подключенными к источнику питания с переключателем направления электрического тока 8. Последний соединен с синхронизатором переключений 9, подключенным линией управления 10 к переключателю потока воздуха 1 и линией 11 к источнику питания с переключателем направления электрического тока 8. Теплообменники 5 представляют собой оребренную пластину, у которой зазор между ребрами 12 теплообменника не превышает трех диаметров гранул адсорбента, при этом размер гранул адсорбента не превышает 2 мм. Кроме того, возможен и второй вариант, при котором адсорбент нанесен на поверхность теплообменника слоем от 0,1 до 1,5 мм. В пространстве между ребрами 12 помещен гранулированный адсорбент 13, либо нанесен тонкий слой адсорбента 14. Полости адсорберов закрыты крышками 15.

Устройство для очистки воздуха работает следующим образом.

Очищаемый воздух переключателем 1 подается в пространство, ограниченное ребрами 12 и крышкой 15 адсорбера 2, или 3, в которых происходит поглощение паров воды адсорбентом 13 или 14, при этом эффективность осушки возрастает за счет охлаждения адсорбента, в качестве которого используется силикагель. Осушенный воздух поступает в патрон 4, в котором происходит доокисление токсичного оксида углерода в диоксид, удаляемый из помещения обычными системами жизнеобеспечения. Очищенный воздух поступает в подогреваемый термоэлектрическим элементом 7 осушитель 3, в котором адсорбент регенерируется, отдавая пары воды очищенному воздуху. После окончания цикла, величина которого подбирается опытным путем, синхронизатор 9 переключает по линии 10 переключатель 1 в положение, показанное на фиг.2. При этом поток очищаемого воздуха поступает в адсорбер 3, а регенерация адсорбента производится в адсорбере 2. Синхронизатор 9 одновременно с переключением направления воздушного потока переключает по линии 11 блок питания 8, за счет чего производятся охлаждение теплообменника 6 и подогрев теплообменника 5 за счет изменения направления электрического тока в термоэлектрическом элементе 7.

Фильтрующий модуль обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха, характеризуется малыми металлоемкостью и габаритами и высокой надежностью в работе.

1. Способ очистки воздуха от оксида углерода, включающий его пропускание через слой адсорбента, а затем через слой катализатора окисления оксида углерода на основе окислов марганца и меди, отличающийся тем, что адсорбент, через который пропускают очищаемый воздух, охлаждают, после катализатора воздух пропускают через подогреваемый адсорбент, после чего изменяют направление воздушного потока на противоположное, с одновременным охлаждением адсорбента на входе потока и подогревом адсорбента на выходе, при этом адсорбент охлаждают и подогревают с помощью термоэлектрических элементов, в которых осуществляют переключение направления электрического тока синхронно с изменением направления потока воздуха.

2. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода, содержащий адсорбер, отличающийся тем, что адсорбер на выходе соединен с патроном, в котором помещен катализатор окисления оксида углерода, на выходе которого установлен второй адсорбер, оба адсорбера соединены с переключателем воздушного потока и выполнены с внутренним оребрением, соединенным с термоэлектрическими элементами, подключенными к источнику питания через переключатель направления электрического тока.

3. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода по п.2, отличающийся тем, что зазор между ребрами не превышает трех диаметров гранул адсорбента.

4. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода по п.2, отличающийся тем, что адсорбент используют в виде гранул с размером не более 2 мм.

5. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода по п.3, отличающийся тем, что адсорбент нанесен на поверхность теплообменника слоем от 0,1 до 1,5 мм.