Результат интеллектуальной деятельности: ОСУШИТЕЛЬ ГАЗОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для удаления влаги из газовых сред, и может быть использовано в промышленности и в производствах, где требуется осушить газы, в том числе и воздух, которые не должны быть влажными при их применении в любой технике.

Уровень техники

Осушитель газовых сред имеет большое значение во многих технологиях, использующих газовые среды в качестве основных компонентов. Наличие влаги, например, в газовом и жидком топливе снижает существенно его теплотворную способность и бесперебойность работы двигателей и других устройств, потребляющих это топливо. Влага в составе сжатого воздуха, используемого в системах пневмоавтоматики, не только нарушает стабильность работы их элементов, но приводит к выходу из строя этой системы. Содержание влаги в технологических газах, идущих на производство химических материалов (например, контактные газы для получения синтетических продуктов - каучуков, пластмасс и т.д.), влияет на скорость химических процессов и качество продуктов.

В промышленности давно занимаются осушкой газов.

Значительная часть осушителей работает на основе адсорбционного процесса, выполнена в периодическом режиме работы [1, 2, 3, 4] и содержит различного вида камеры или кассеты, заполненные адсорбентом. В течение времени осушки газов адсорбент насыщается влагой, а затем он должен подвергнуться регенерации, которая ведется обычным способом - путем пропускания через слой адсорбента горячего газа или воздуха или нагревания адсорбента сторонними нагревателями. Содержащаяся в адсорбенте влага испаряется и выводится из него в виде пара. На время регенерации осушитель свои функции по осушке газов не выполняет - требуется его остановка и исключение из системы осушки газов, что является большим нарушением непрерывных процессов, имеющих место в большинстве промышленных технологий.

Появившись в последние 5…10 лет предложения по непрерывной очистке газов [5, 6], содержащие два адсорбера, работающие попеременно при использовании систем переключения адсорберов, подчас довольно сложного состава, с использованием нагревателей воздуха, требуемого для регенерации адсорбента, в том числе и собственных газовых продуктов регенерации, что вызывает повышенный нагрев регенерирующих газов. Последнее требование приводит к значительному расходу энергии для подогрева газов.

Примерно за этот же период появились предложения по осушке газов без применения адсорбентов, однако в них использован другой принцип улавливания влаги - путем ее конденсации при охлаждении горячего влажного воздуха (газа), поэтому здесь не рассматриваются. Не анализируются также способы и условия, в которых излишняя влага удаляется из газов абсорбционным способом.

Известна установка для осушки сжатого воздуха [7], включающая соединенные между собой трубопроводами адсорберы, блок управления, дроссельные устройства, установленные на линии подачи заданного количества воздуха на регенерацию, обратные клапаны и распределительное устройство для переключения потоков сжатого воздуха, содержащее один пятилинейный пневмораспределитель с входными, выходными и управляющими каналами, снабженная дополнительными средствами управления в составе дросселя, нормально открытого и нормально закрытого двухлинейного пневмораспределителя, соединенных с соответствующими каналами пятилинейного пневмораспределителя.

Недостатками данного изобретения являются сложность управления работой адсорберов, наличие в адсорберах сплошного слоя адсорбента, что снижает интенсивность улавливания влаги при осушке газов и увеличивает длительность регенерации адсорбента, высокая металлоемкость.

Известна установка адсорбционной осушки газов [8], содержащая два установленных параллельно адсорбера, клапаны управления в линии подачи влажного газа перед адсорберами и в магистрали подачи осушенного газа после адсорберов, которые оснащены подогревателями, а установка дополнительно содержит основной эжектор, газовый патрубок которого соединен с магистралью подачи осушенного газа и оснащен невозвратным клапаном, дополнительный эжектор, газовый патрубок которого соединен с магистралью подачи влажного газа и оснащен невозвратным клапаном, насос, выход которого подключен к выходам основного и дополнительного эжекторов, причем основной эжектор эжектирует влагу из адсорбера, находящегося в режиме адсорбции, дополнительный эжектор эжектирует влагу из адсорбера, находящегося в режиме десорбции, выходы обоих эжекторов соединены с входом насоса или промежуточной емкостью, а регенерация адсорбента осуществляется вакуумно-термическим способом при автоматическом переключении режимов работы адсорберов.

Недостатками установки являются также сложность и громоздкость управления работой, наличие в адсорберах сплошных слоев адсорбента, снижающих интенсивность улавливания влаги при осушке газов, что увеличивает продолжительность регенерации адсорбента и расход тепловой энергии для этой регенерации, а также высокая металлоемкость.

Известна установка для осушки сжатого воздуха [9], принятая за прототип, включающаяся компрессор, холодильник, два адсорбера с полостями для адсорбента и теплоносителя с патрубками для входа и выхода теплоносителя, влажного и осушенного воздуха, магистраль влажного воздуха с эжектором, установленным перед холодильником, подогреватель, соединенный с полостью для теплоносителя и с компрессором, установка оснащена регулятором давления воздуха, электронным усилителем, магнитным усилителем и датчиком давления и другими средствами управления компрессором.

Недостатками данной установки являются сложность и неоправданно многоаппаратная система управления работой установки, необходимость расходовать тепловую энергию извне для подогрева воздуха при регенерации адсорбента, невысокая интенсивность теплообмена в полостях для влажного воздуха и теплоносителя, высокая металлоемкость.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на разработку осушителя газов, работающего в режиме кратковременной остановки при переключении адсорберов с помощью быстродействующей и простой системы, обладающего высокой интенсивностью теплообмена при осушке газов и регенерации адсорбента, не требующего расхода первичного теплоносителя извне для нагревания осушаемого воздуха и адсорбента перед регенерацией последнего, характеризующегося меньшей металлоемкостью.

Технический результат заключается в упрощении и повышении надежности действия системы управления работой осушителя, снижении тепловых затрат путем использования вторичного энергоносителя в виде дымовых газов, повышения интенсивности теплообмена в адсорберах посредством конструктивных изменений в этих аппаратах, снижении металлоемкости.

Технический результат достигается тем, что адсорбционный осушитель, содержащий корпус в составе двух секций, распределительные устройства для попеременного их включения, верхние входные и нижние выходные камеры с патрубками для осушаемого и осушенного газов, единые магистрали для теплоносителя, осушаемого и осушенных газов, в предлагаемом устройстве секции объединены в один аппарат посредством общего корпуса, связаны между собой распределительными обвязками для газовых потоков, содержащих трехходовые краны и участки трубопроводов, а каждая секция выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, оснащенного неразъемно присоединенными к нему верхней и нижней решетками, содержащими отверстия в форме вытянутых прямоугольников, в которые неразъемно вставлены заполненные адсорбентом реторты такой же формы в поперечном сечении с зазорами, образующими в секции межретортное пространство, при этом все реторты выполнены без верхней и нижней сторон, которые закрыты сетками, прижатыми к решеткам секций с помощью верхней входной и нижней выходной камер, прикрепленных к решеткам посредством болтов с использованием прокладок, причем нижняя выходная камера, содержащая наклонное днище, оснащена патрубком и вентилем для выпуска влаги, а верхняя входная камера снабжена патрубком, трехходовым краном и трубопроводом для вывода из реторт парообразных продуктов регенерации адсорбента.

Новые признаки предлагаемого изобретения обладают следующими отличиями.

Первое отличие заключается в существенном упрощении управления работой установки, достигаемом путем снабжения ее более простой системой подвода и отвода влажного осушенного газа, подачи и отвода теплоносителя, которым может быть и горячая жидкость, т.к. теплота передается от теплоносителя к адсорбенту через стенку, а не при непосредственном их соприкосновении, кроме того, предлагаемая установка снабжена также трубопроводом и краном для отвода из адсорбента паров влаги, образуемой при его регенерации, патрубком и вентилем для отвода влаги (воды), появляющейся при осушке газов.

Второе отличие заключается в использовании в конструкции секции адсорбера реторт в виде вытянутых параллелепипедов, имеющих слой абсорбента малой толщины (до 80…100 мм), что повышает интенсивность теплообмена, т.к. реторты омываются теплоносителем (дымовыми газами) или охлажденным воздухом со своей внешней поверхности сторон.

Третье отличие состоит в том, что секции установки снабжены патрубками с трубопроводами и краном для отвода из адсорбента продуктов его регенерации (в основном, паров воды).

Наконец, последнее отличие относится к снижению металлоемкости установки и упрощению ее конструкции.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает:

непрерывность осушки газов при очень кратковременных остановках, требуемых для поворотов сердечников кранов (несколько секунд); отсутствие соприкосновения теплоносителя, хладагента и адсорбента в ретортах малой толщины; создание условий теплопередачи через стенку, что увеличивает равномерность и интенсивность теплообмена при осушке газов, регенерации адсорбента и его охлаждении; отвод газовых продуктов регенерации из адсорбента; снижение общей металлоемкости и упрощение конструкции по сравнению с аналогичными изобретениями.

Осуществление изобретения

На фиг.1 приведена конструктивная схема осушителя в виде его фронтальной проекции с вырывом; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид по стрелке Б на фиг.1.

Осушитель содержит корпус 1 с опорами, выполненный из листового металла, разделенный перегородкой 2 на секции I и II, каждая из которых снабжена верхней и нижней решетками 3, неразъемно соединенными с корпусом 1 и выполненными с отверстиями в виде вытянутых прямоугольников, в которые вставлены неразъемно реторты 4, имеющие такую же форму в поперечном сечении, как и отверстия в решетках 3. Реторты 4 заполнены сыпучим адсорбентом, например цеолитом, силикагелем, актированным углем и т.п., являющимся поглотителем влаги. Открытые верхние и нижние стороны реторт 4 перекрыты сетками 5, предохраняющими высыпание адсорбента (внизу) или унос его (сверху). Сетки 5 закрепляются (зажимаются) между решетками 3 с использованием прокладок 6, верхней входной камерой 7 и нижней выходной камерой 8, которые прикреплены к решеткам 3 посредством болтов 9. Реторты 4 выполнены в форме коробчатых емкостей, у которых длина гораздо меньше ширины (80…100 мм). Верхняя входная 7 и нижняя выходная камера 8 выполнены коробчатой формы, содержат патрубки В и Г, Д и Е, служащие соответственно для входа газов осушаемых и выхода газов осушенных. Нижняя выходная камера 8 имеет наклонное днище, в нижней части которого выполнен патрубок 10 с фланцем и вентилем 11 для выпуска влаги, которая может образоваться в ретортах 4.

Межретортные пространства секции I и II имеют патрубки И и Ж, Л и К, предназначенные соответственно для входа и выхода газового теплоносителя, например дымовых газов, полученных при сжигании топлива в реакторе или в другом нагревательном аппарате. Верхние камеры 7, нижние камеры 8, межретортные пространства 12 снабжены трубопроводными обвязками, включающими участки трубопроводов 13 и трехходовые краны 14, верхние входные камеры 7 содержат также патрубки М для выхода паров влаги, например воды в период регенерации адсорбента, объединенные обвязкой в составе трубопровода 15 и трехходового крана 16. Межретортные пространства 12 снабжены дополнительной обвязкой для охлаждения воздухом в составе трубопроводов 17 и трехходовых кранов 18. На фиг.2 эта обвязка изображена (для лучшего понимания) в горизонтальной плоскости, в действительности обе обвязки на межретортные пространства целесообразно располагать в вертикальной плоскости.

Осушитель работает следующим образом.

Увлажненный, как правило, горячий газ, например пирогаз, поступающий из конденсатора с температурой 60…70°C, подается на входной трехходовой кран 14 и с его помощью направляется в одну из секций I или II осушителя, например в патрубок В секции II. Таким образом, увлажненный газ попадает в верхнюю входную камеру 7, откуда движется через сетку 5 в реторты 4 и, пронизывая слой адсорбента по вертикали, выходит в нижнюю выходную камеру 8, откуда поступает в патрубок Д и движется к выходному крану 14, из которого направляется потребителю на следующую технологическую операцию. Во время осушки газов в секции II трехходовой кран 16 перекрывает выход из нее любых газов через патрубок М.

Во время осушки газов в секции II происходит регенерация адсорбента в секции 1, которая заключается в нагревании адсорбента до температуры кипения влаги и образования ее пара (примерно, до температуры 115…125°C). Для этого с помощью входного трехходового крана 14 подается через патрубок И в межреторное пространство данной секции горячий теплоноситель, например дымовые газы, идущие от реактора или другого нагревательного аппарата. Температура такого теплоносителя должна быть на 15…30°C выше температуры кипения влаги в осушаемом газе.

Теплоноситель движется в межретортном пространстве 12, выходит через патрубок К (или Л) и трехходовой кран 14 в атмосферу или в какой-либо теплообменный аппарат для утилизации теплоты.

При движении теплоносителя в межреторном пространстве 12 он отдает теплоту стенкам реторты и через них - адсорбенту. Влага, содержащаяся в адсорбенте, закипает, и ее пары уходят из реторт 4 через верхние камеры 7, их патрубки М и кран 16 в атмосферу. Теплоноситель не контактирует непосредственно с адсорбентом, а передает теплоту через стенку реторт 4. Это позволяет использовать любой теплоноситель, в т.ч. и жидкий, без боязни вывести из строя адсорбент и нарушить процесс обезвоживания газов. Эффективным является использовать для этой цели дымовые газы.

Во время регенерации адсорбента необходимо, во-первых, отводить из реторт 4 образующиеся в ретортах 4 пары влаги (например, воды), во-вторых, собирать и отводить из нижней выходной камеры 8 ту влагу, которая может образоваться в реторте 4 во время осушки газов и стекать вниз из реторт 4. Первая операция (отвод паров влаги) выполняется в течение всего времени регенерации адсорбента. Вторая операция выполняется эпизодически по мере накопления воды в нижней выходной камере 8 через патрубок 10 и кран 11. Регенерация адсорбента протекает в секции 1 по времени быстрее, чем осушка газа в секции II, поэтому секция 1 становится готовой к осушке газа раньше, чем потребуется переключить секцию II на регенерацию, что должно использоваться для охлаждения реторт 4 и адсорбента. Во время осушки газов в межретортное пространство той секции, в которой происходит эта осушка (секция II на фиг.1), путем соответствующего включения входного крана 18 подается по трубопроводу 17 охлажденный воздух, который движется по межтрубному пространству 12 и охлаждает реторты 4 данной секции и адсорбент, находящийся в них. Любое понижение температуры адсорбента улучшает процесс извлечения влаги из обрабатываемого увлажненного газа, а также улучшает процесс улавливания влаги после регенерации адсорбента, когда он горячий, а для интенсивной работы его необходимо охлаждать, что и достигается пропусканием охлажденного воздуха через межреторное пространство. Воздух, находящийся в межретортном пространстве 12, выходит из него по выходному трубопроводу 17 и трехходовому крану 18 в атмосферу. Малая толщина реторты обеспечивает хороший и интенсивный теплообмен как во время охлаждения адсорбента при осушке влажных газов, так и в период раньше, чем потребуется переключить секцию II на регенерацию, что должно использоваться для охлаждения реторт 4 и адсорбента. Во время осушки газов в межретортное пространство той секции, в которой происходит эта осушка (секция II на фиг.1), путем соответствующего включения входного крана 18 подается по трубопроводу 17 охлажденный воздух, который движется по межтрубному пространству 12 и охлаждает реторты 4 данной секции и адсорбент, находящийся в них. Любое понижение температуры адсорбента улучшает процесс извлечения влаги из обрабатываемого увлажненного газа, а также улучшает процесс улавливания влаги после регенерации адсорбента, когда он горячий, а для интенсивной работы его необходимо охлаждать, что и достигается пропусканием охлажденного воздуха через межреторное пространство. Воздух, находящийся в межретортном пространстве 12, выходит из него по выходному трубопроводу 17 и трехходовому крану 18 в атмосферу. Малая толщина реторты обеспечивает хороший и интенсивный теплообмен как во время охлаждения адсорбента при осушке влажных газов, так и в период регенерации адсорбента, т.е. его нагревании, так как реторты 4 омываются со всей своей наружной поверхности охлажденным воздухом или теплоносителем (например, дымовыми газами), и теплота передается через стенку реторты 4 и слой адсорбента малой толщины (40…50 мм).

Источники информации

1. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. T.1. - Калуга: Н. Бочкаревой, 2003. - 1024 с.

2. Пат. RU №2292231, B01D 53/04, B01D 53/26, 2005 г.

3. Пат. RU №2390373, B01D 53/26, 2009 г.

4. Пат. RU №2181166, F04B 39/16, 2000 г.

5. Пат. RU №2236892, B01D 53/26, B01D 53/04, 2003 г.

6. Пат. RU №2342980, B01D 53/26, 2006 г.

7. Пат. RU №2071814, B01D 53/26, 1997 г.

8. Пат. RU №2190458, B01D 53/26, 2001 г.

9. Пат. RU №2294793, B01D 53/26, F04B 49/20, F04D 27/00, 2006 г.