Результат интеллектуальной деятельности: Адсорбер

Изобретение относится к технике очистки газов адсорбентами, а именно к газоочистному оборудованию, и может найти применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности для очистки газовых смесей.

Известен адсорбер (см. патент РФ №2460574, МПК В01Д 53/04, опубл. 10.09.2012), включающий вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образованием чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки, и патрубки отвода и подвода газа, при этом патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки, причем канавки конструктивно выполнены в виде ласточкина хвоста, при этом по направлению от большего основания патрубка к меньшему его основанию равномерно на горизонтальном уровне между винтообразными продольно расположенными канавками размещены выпускные окна, имеющие одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне и возрастающий на последующих горизонтальных уровнях по мере движения очищаемого газа от большего основания патрубка подвода газа к меньшему основанию, при этом верхняя решетка выполнена разъемной и состоит из неподвижной верхней части с подвижной нижней частью, причем связь между неподвижной верхней и подвижной нижней частями выполнена гибкой в виде пружин, периферийно укрепленных между ними, а отверстия в верхней решетке выполнены в виде телескопических цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров верхней части в 2,0-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров нижней части верхней решетки.

Недостатком является энергоемкость процесса осушки газа, обусловленная необходимостью выполнения десорбции путем поддержания высокой температуры регенерирующего воздуха или значительного расхода ранее осушенного воздуха на удаление накопленной влаги из массы адсорбирующего вещества.

Известен адсорбер (см. патент РФ №2554588 МПК В01Д 53/04, опубл. 27.06.2015 Бюл. №18) включающий вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образование чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки и патрубки отвода и подвода газа, при этом патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки, причем канавки конструктивно выполнены в виде ласточкина хвоста, при этом по направлению от большего основания патрубка подвода Таза к меньшему его основанию равномерно на горизонтальном уровне между винтообразными продольно расположенными канавками размещены выпускные Окна, имеющие одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне и возрастающей на последующих горизонтальных уровнях по мере движения очищаемого газа от большего основания патрубка подвода газа к его меньшему основанию, при этом верхняя решетка выполнена разъемной и состоит из неподвижной верхней части с подвижной нижней частью, причем связь между неподвижной верхней и подвижной нижней частями выполнена гибкой в виде пружин, периферийно укрепленных между ними, а отверстия в верхней решетки выполнены в виде телескопических цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров верхней части в 2,0-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров нижней части верхней решетки, кроме того внутренняя поверхность вертикального корпуса покрыта теплоизоляционным и теплоаккумулирующим слоем, выполненным в виде пучков вытянутых волокон из базальта, расположенных от патрубка подвода до патрубка отвода газа.

Недостатком является повышение энергоемкости при длительной эксплуатации, особенно с повышенным содержанием парообразных и мелкодисперсных загрязнений, попадающих в патрубок подвода газа, представляющий собой суживающийся усеченный конус, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки с профилем в виде ласточкина хвоста, что обусловлено возрастанием аэродинамического сопротивления из-за витания частиц загрязнений по трубам подвода газа и это приводит к необходимости увеличения мощности привода по подачи газа в адсорбер.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированной энергоемкости при длительной эксплуатации при очистке адсорбером газа с изменяющейся концентрацией парообразующих и мелкодисперсных твердых частиц, и парообразных загрязнений.

Технический результат достигается тем, что адсорбер включает вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образованием чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки и патрубки отвода и подвода газа, при, этом патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки, причем канавки конструктивно выполнены в виде ласточкина хвоста, при этом патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки конструктивно выполнены в виде: ласточкина хвоста, при этом по направлению от большего основания патрубка подвода газа к меньшему его основанию равномерно на горизонтальном уровне между винтообразным продольно расположенными канавками размещены выпускные окна, имеющие одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне и возрастающий на последующих горизонтальных уровнях по мере движения очищаемого газа от большего основания патрубка подвода газа к его меньшему основанию, при этом верхняя решетка выполнена разъемной и состоит из неподвижной верхней части с подвижной нижней частью, причем связь между неподвижной верхней частью и подвижной нижней частями выполнена гибкой в виде пружин, периферийно укрепленных между ними, а отверстия в верхней решетке выполнены в виде телескопических цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров верхней части в 2.0-2.5 раза превышают внешние диаметры цилиндров нижней части верхней решетки, причем внутренняя поверхность вертикального корпуса покрыта теплоизоляционным и теплоаккумулирующим слоем, выполненным в виде пучков вытянутых волокон из базальта расположенных от патрубка подвода до патрубка вывода, при этом выполнено покрытие наноразмерной стекловидная пленка из оксидов тантала винтообразных канавок с профилем в виде ласточкина хвоста.

На фиг. 1 изображен внешний вид адсорбера, на фиг. 2 - патрубок подвода в виде суживающегося усеченного конуса, на фиг. 3 - развертка внутреннего патрубка подвода газа, на фиг. 4 - горизонтальные уровни в виде концентрических окружностей размещения выпускных окон, на фиг. 5 - сечение винтообразной продольно расположенной канавки в виде ласточкина хвоста, покрытой наноразмерной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом, на фиг. 6 - сечение верхней решетки, состоящей из неподвижной и подвижной нижней частей, на фиг. 7 - сечение корпуса адсорбера с внутренней поверхностью, покрытой теплоизоляционным и теплоаккумулирующим слоем.

Адсорбер включает вертикальны корпус I, боковые стенки 2 которого выполнены зигзагообразными, установленные в нем секционные перегородки 3 выполнены перфорированными и зигзагообразными и образуют в каждой секции 4 диффузоры 5 и конфузоры 6, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, секции снабжены верхней выходной 7 и нижней входной 8 решетками. Отвод очищенного газа осуществляется через патрубок вывода 9, а ввод очищенного газа через патрубок 10, выполненный в виде суживающего усеченного конуса.

На внутренней поверхности патрубка ввода газа 10 имеются винтообразные продольно расположенные канавки 11, между которыми по направлению от большего основания 12 патрубка ввода газа 10 к меньшему его основанию 13 различных горизонтальных уровнях по периметру в виде концентрических окружностей 14, 15, 16 (фиг. 4) выполнены выпускные окна 17, 18, 19.

Выпускные окна 17 имеют одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне по периметру в виде концентрической окружности 14, выпускные окна 18 имеют одинаковый, но несколько больший, чем окна 17, диаметр на одном горизонтальном уровне по периметру в виде концентрической окружности 15. Та же самая пропорциональность наблюдается с окнами 19 на окружности 16.

При этом винтообразные продольно расположенные канавки 11 выполнены в виде ласточкина хвоста.

Верхняя выходная 7 решетка (фиг. 6) состоит из неподвижной 20 части жестко укрепленной к внутренней поверхности 21 патрубка 9, например, посредством упора или резьбовым соединением, и подвижной нижней 22 части.

Связь между неподвижной верхней 20 и подвижной нижней 22 частями верхней выходной 7 решетки выполнена гибкой в виде пружин 23, периферийно укрепленных между ними. Отверстие 24 в верхней выходной 7 части решетки выполнены в виде телескопических 25 цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров 26 верхней 20 части в 2,0-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров 27 нижцей 22 части верхней выходной 7 решетки неподвижная верхняя часть 20 укреплена к внутренней поверхности 21 патрубка 9 посредством упоров - выступов 28 или резьбовым соединением.

Внутренняя поверхность 29 боковой стенки 2 вертикального корпуса 1 покрыта теплоизоляционными и теплоаккумулирующим слоем 30, выполненным в виде пучков вытянутых волокон из базальта 31, расположенных от патрубка подвода 10 до патрубка отвода 9 газа. Винтообразные продольно расположенные канавки 11 расположенные в патрубке подвода 14 газа и конструктивно выполненные в виде ласточкина хвоста покрыты наноразмерной стеклоподобной пленкой 32 из оксида таллия, выполненного ионно-плазменным методом

Адсорбер работает следующим образом. Насыщенный парообразной влагой и мелкодисперсными каплеобразными и твердыми частицами, обрабатываемый поток газа поступает в патрубок подвоза газа 10 и перемещает по винтоооразным, продольно расположенным канавкам 11 конструктивно выполненных, в виде ласточкиного хвоста. В результате воздействия силы трения (см. А.Д. Альтшуль и др. Аэродинамика и гидравлика. - М.: 1975. - 138 с.; ил.) мелкодисперсные каплеобразные частицы налипают на внутреннею поверхность винтообразных продольно расположенных канавок И, коагулируют и укрупняются, объединяясь с твердыми мелкодисперсными частицами и конденсирующийся атмосферной влагой. Все это приводит к закупориванию полостей винтообразеых канавок 11, конструктивно выполненных в виде ласточкина хвоста с последующим выдавливанием во внутренний объем частиц загрязнения, а это способствует возрастанию аэродинамического сопротивления адсорбера и, как следствие увеличению мощности привода на подачу обрабатываемого газа в адсорбер на 20-25% (см. например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - Л. - 1985. - 80 с., ил.). При покрытии наноразмерной стеклоподобной пленкой 32 из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом винтообразных канавок 11, мелкодисперсные загрязнения и конденсирующаяся влага не налипает на внутренние поверхности винтообразных канавок 11, т.е. не коагулируют и не укрупняются, а скользят от большего основания 12 патрубка подвода газа к меньшему его основанию 13 (см., например, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Литвиновой В.А. «Оптические свойства наноразмерных стекловидных пленок оксидов кремния и тантала». Изд-во Томский государственный университет систем управления и радиоэнергетики. Томск. 2010. с. 1-18).

В результате поддерживается нормированное аэродинамическое сопротивление адсорбера и устраняется необходимость дополнительных энергозатрат на привод устройства подачи газа в патрубок 10, выполненного в виде суживающегося усеченного конуса, т.е. осуществляется энергосберегающий процесс очистки газа при длительной эксплуатации.

Известно, что процесс очистки газа в адсорбере осуществляется с поглощением поверхностью адсорбирующего вещества паров воды и/или масла и выделением теплоты адсорбции, которая рассеивается через боковые стенки корпуса 1 в окружающую среду. При этом по мере загрязнения адсорбирующего вещества качество очистки газа резко ухудшается, что требует десорбции адсорбирующего вещества, которая осуществляется, например, регенерирующим потоком газа или воздуха, нагретого до температуры 200-220°С, или потоком ранее очищенного в адсорбере газа. Это приводит к значительным энергозатратам адсорбционной очистки газа.

В предлагаемом изобретении для снижения энергозатрат при эксплуатации адсорбера используется теплота адсорбции путем ее аккумулирования и последующей передачи регенерирующему потоку для поддержания его нормированной температуры по высоте корпуса. По мере перемещения очищаемого газа в корпусе 1 слой адсорбирующего вещества поглощает пары воды и/или масла и выделяет теплоту адсорбции, которая теплопроводностью передается теплоизолирующему и теплоаккумулирующему слою 30, устраняя потери теплоты через боковые стенки 2 корпуса 1. Выполнение теплоизолирующего и теплоаккумулирующего слоя 30 в виде пучков вытянутых волокон из базальта 31 с толщиной волокон 8-20 мкм (см., например, Дубровский В.А., Малахова М.Ф., Рычко В.А. Волокнистые материалы из базальта. Киев: Техника, 1971, с. 6-8), расположенного от патрубка подвода 10 до патрубка отвода 9 газа, способствует тому, что в соответствии с изотермой адсорбции (см., например, Серпионбва Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: Высш. шк. 1969, 388 с.) процесс аккумулирования теплоты осуществляется по длине пучка вытянутых волокон из базальта 31 по мере прохождения очищаемого потока газа снизу вверх. При этом толщина пучка вытянутых волокон из базальта 31 определяется в зависимости от цикла адсорбции, который может продолжаться от Г-2 до 8-12 часов. После окончания процесса очистки газа, когда теплота адсорбции саккумулировалась на уровне верхней входной 7 решетки, т.е. в конечной точке пучка вытянутых волокон из базальта 31, адсорбер переводится в режим десорбции и поток газа или воздуха с нормированной регенерирущей температурой поступает в корпус 1, где охлаждается (в соответствии с изотермой адсорбции) по мере удаления загрязнений путем испарения поглощенной воды и/или масла с последующих слоев адсорбирующего вещества, снижая эффективность десорбции.

В предлагаемом техническом решении снижение энергозатрат на дополнительный нагрев регенерирующего потока для поддержания его нормированной температуры по всей высоте адсорбера при десорбции адсорбирующего вещества осуществляется за счет теплоты адсорбции, накопленной в теплоизолирующем и теплоаккумулирующем слое 30, выполненном в виде пучков вытянутых волокон из базальта 31.

При засыпке нового, ранее не находящегося в эксплуатации адсорбирующего вещества, например силикагеля КСМ-5, в секции 4 вертикального корпуса 1 верхняя выходная 7 решетка устанавливается таким образом, что ее верхняя 20 часть жестко укрепляется к внутренней поверхности 21 патрубка 9, например, посредством упоров 28 или резьбового соединения, а нижняя 22 часть свободно соприкасается с сыпучим материалом адсорбирующего вещества с усилием, равным величине сжатия пружины 23 в соответствии с условием, определяемым отсутствием «витания» зерен адсорбирующего вещества под действием восходящего (направленного снизу вверх) потока очищаемого газа, т.е. поступающего из секций 4 к верхней выходной 7 решетке, но не вызывающих уплотняющих усилий, препятствующих перемешиванию слоев адсорбирующего вещества в процессе адсорбции.

Газ, подлежащий очистке, подается через патрубок ввода газа 10 в корпус 1 адсорбера. В результате уменьшения проходного сечения патрубка ввода газа 10, выполненного в виде суживающего усеченного конуса с находящимися на внутренней его поверхности винтообразными продольно расположенными канавками 11, происходит возрастание скорости движущегося очищаемого газа. Периферийные слои очищаемого газа, перемещаясь по винтообразным, продольно расположенным канавкам 11, закручиваются, что приводит при движении очищаемого газа от большего 12 к меньшему 13 основанию патрубка ввода газа 10 к вращению всей массы очищаемого газа.

По мере вращения газа в патрубке ввода газа 10 осуществляется выпуск его через выпускные окна 17, 18 и 19. Известно, что скорость движения вращающегося очищаемого газа за счет сужения патрубка ввода газа 10, выполненного в виде суживающего усеченного конуса, увеличивается по мере перехода потока с уровней концентрических окружностей 14 к 15, с 15 к 16. Поэтому возрастание диаметра выпускных окон 18 относительного окон 17 и окон 19 относительно окон 18 приводит к рациональному перераспределению очищаемого газа, поступающего на нижнюю входную решетку 8.

Равномерная эпюра скоростей газового потока в поперечном сечении корпуса 1 адсорбера на выходе из нижней входной решетки 8 поддерживается за счет живого сечения выпускных окон 17, 18 и 19, что особенно важно для периферийной зоны корпуса 1 адсорбера, где порозность слоя адсорбента выше, чем в его центральной части.

Одновременно повышение расхода очищаемого газа через центральную часть адсорбера приводит к эжектированию газа из пристенной зоны корпуса 1, вследствие чего эффективность процесса осушки повышается как за счет равномерного насыщение слоя адсорбента по сечению корпуса 1, так и за счет повышения степени очистки газа.

Очищаемый газ с оптимальной эпюрой скоростей после нижней входной решетки 8, обеспечивающей рациональный контакт с адсорбером по поперечному сечению корпуса 1, поступает в секции 4 и, проходя последовательно участки диффузоров 5 и конфузоров 6, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению массообмена, а также к перераспределению в секциях 4 давления газа. Это выравнивает гидравлическое сопротивление газа в секциях 4 и обеспечивает равномерное омывание газом всего объема адсорбента. Очищенный газ из секции 4 поступает в телескопические 25 цилиндрические отверстия 24 и через патрубок 9 - к потребителю.

По мере перемещения потока газа при осуществлении процесса очистки зерна адсорбента в результате трения в псевдосжиженном состоянии разрушаются, и объем при вертикальной засыпке в корпус 1 адсорбирующего вещества уменьшается, т.е. появляется воздушная прослойка между верхним слоем адсорбента и верхней выходной 7 решеткой. Тогда отдельные зерна адсорбента под действием движущегося снизу вверх потока очищаемого газа в секциях 4 отрывается от верхнего слоя насыпной массы и с возрастающем усилием ударяются о верхнюю выходную 7 решетку (см., например, Седов Л.И, Механика сплошных сред. М.: Наука 1990, 537 с.), что интенсифицирует их дальнейшее разрушение и, соответственно, приводит к последующему уменьшению объема адсорбирующего вещества. Следовательно, сокращается полезная поглощательная поверхность зерен адсорбента и всей адсорбирующей массы в корпусе 1 в целом, а это, как известно, снижает качество адсорбционной очистки газа.

В предлагаемом техническом решении по мере уменьшения объема адсорбирующего вещества в корпусе 1, т.е. снижения его высоты в секциях 4, пружины 23 растягиваются, перемещая вниз нижнюю часть 22 верхней выходной 7 решетки, чем и поддерживается заданное уплотнение адсорбирующего вещества, т.е. устраняется образование воздушной прослойки перед верхней выходной 7 решеткой.

Отверстия 24 в верхней выходной 7 решетке выполнены в виде полых телескопических цилиндров 25, при этом полый цилиндр 27 нижней части 22 верхней выходной 7 решетки выходит при перемещении вниз нижней части 22 из полого цилиндра 26. При этом внутренние диаметры цилиндров 26 верхней 22 части в 2-2.5 раза превышают внешние диаметры цилиндров 27 нижней 22 части верхней выходной 7 решетки, данное соотношение приводит к тому, что очищенный газ на выходе из полых цилиндров 27, внезапно расширяясь, резко снижает свою скорость и температуру (эффект Джоуля-Томсона, см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплоотдача. М., 1980, 469 с.). Это позволяет также нормализовать поступление очищенного газа через патрубок 9 к потребителю как по давлению, так и температуре.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что выполнение покрытия винтообразных канавок с профилем в виде ласточкина хвоста наноразмерной стеклоподобной пленкой, полученной ионно-плазменным методом, обеспечивает поддержание нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации абсорбера в процессе очистки газа, насыщенного мелкодисперсными загрязнениями и конденсирующими влагой.