Кольцевой адсорбер

Изобретение относится к области очистки газов и паров от примесей нежелательных компонентов и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен адсорбер системы улавливания паров топлива, содержащий герметичный цилиндрического типа корпус, ограниченный крышкой и дном, внутри корпуса расположено адсорбирующее вещество, представляющее собой единый блок, установленный с зазором по отношению к внутренней боковой стенке корпуса, в крышке имеются патрубки сообщения блока с атмосферой, топливным баком и системой впуска воздуха в двигатель внутреннего сгорания, при этом на крышке и днище выполнены центрирующие кольцевые выступы, направленные внутрь корпуса (патент на изобретение RU 2194185 С2, МПК F02M 25/08, F02M 33/02, заявлен 26.12.2000 г., опубликован 10.12.2002 г.). Основными недостатками данного изобретения являются:

1) ограничение области применения аппарата процессами с небольшими расходами очищаемого газа, кратными л/час, т.к. монолитный цилиндрический блок адсорбирующего вещества нельзя сформировать толщиной несколько сантиметров и высотой в несколько метров из-за низкой механической прочности адсорбентов на раздавливание;

2) снижение поглощающей способности адсорбента при расположении адсорбирующего вещества в виде монолитного цилиндрического блока из-за резкого возрастания диффузионного сопротивления уже при толщине слоя в несколько сантиметров относительно сопротивления в гранулах адсорбента;

3) большое гидравлическое сопротивление в потоке очищаемого газа, проходящего сквозь монолитный цилиндрический блок адсорбирующего вещества с низкой порозностью.

Известен кольцевой адсорбер, включающий в общем случае цилиндрический корпус, крышку и днище, соединенные с корпусом при помощи фланцев, штуцер ввода потоков очищаемого газа и газа продувки и вывода газа десорбции с продуктами десорбции, штуцер вывода потоков очищенного газа и газа продувки и ввода газа десорбции, кольцевую адсорбционную корзину, расположенную внутри корпуса и состоящую из коаксиальных вертикальных внешнего и внутреннего перфорированных цилиндров с заполненным адсорбентом пространством между ними, ограниченных снизу кольцевой нижней сплошной пластиной, сопряженной внешней окружностью с внешним перфорированным цилиндром и внутренней окружностью с штуцером ввода потоков очищаемого газа или газа продувки или вывода газа десорбции с продуктами десорбции, и ограниченных сверху системой загрузки адсорбента, сопряженной внешней окружностью с внешним перфорированным цилиндром для формирования вместе с внутренним перфорированным цилиндром центрального канала ввода потоков очищаемого газа или газа продувки или вывода газа десорбции (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники / Н.В. Кельцев. - Москва, 1984, с. 222-223; патент на изобретение RU 2317136 С1, МПК B01D 53/02, заявлен 14.03.2006 г., опубликован 20.02.2008 г.; патент на изобретение RU 2585031 С1, МПК B01D 53/00, заявлен 27.02.2015 г., опубликован 27.05.2016 г.). Основными недостатками адсорберов такого вида являются:

1) низкая рабочая адсорбционная активность адсорбента, вызванная отсутствием возможности размещения в небольшом по толщине слое адсорбента между внешним и внутренним перфорированными цилиндрами большого числа зон массопередачи;

2) увеличение необходимой загрузки адсорбента в аппарат с одновременным увеличением габаритов и металлоемкости адсорбера из-за низкой рабочей адсорбционной активности адсорбента;

3) низкая механическая прочность гранулированного адсорбента, заполняющего кольцевую адсорбционную корзину, что ограничивает ее высоту из-за возможного раздавливания гранул и, опосредовано, производительность адсорбера по очищаемому газу;

4) случайное образование каналов в слое адсорбента при заполнении кольцевой адсорбционной корзины или в ходе эксплуатации адсорбера, приводящее к уменьшению глубины очистки газа в результате проскока неочищенного газа в поток очищенного газа, например, при очистке газа от 1,000 % до 0,001 % примесей проскок очищаемого газа через слой адсорбента в количестве всего 0,500 % приведет к тому, что в 5 раз будет превышена необходимая глубина очистки всего потока газа и нарушится технологический процесс в целом.

Задача заявляемого изобретения является повышение рабочей адсорбционной активности адсорбента путем совершенствования конструкции аппарата, что обеспечит увеличение производительности адсорбера по очищаемому газу или глубины очистки газа при сохранении габаритов адсорбера или ресурсосбережение за счет уменьшения габаритов адсорбера при сохранении производительности адсорбера по очищаемому газу и глубины его очистки.

Поставленная задача заявляемого изобретения достигается за счет того, что в кольцевом адсорбере, включающем цилиндрический корпус, крышку и днище, соединенные с корпусом при помощи фланцев, штуцеры ввода и вывода потоков, кольцевую адсорбционную корзину, расположенную внутри корпуса и состоящую из коаксиальных вертикальных внешнего и внутреннего перфорированных цилиндров с заполненным адсорбентом пространством между ними, ограниченных снизу нижней сплошной пластиной, сопряженной внешней окружностью с внешним перфорированным цилиндром и внутренней окружностью с штуцером ввода потоков, и ограниченных сверху верхней сплошной пластиной, сопряженной с корпусом, внутренним и внешним перфорированными цилиндрами соответствующим образом для формирования центрального канала ввода потоков, нижнюю сплошную пластину выполняют в форме диска, сопрягая внешней окружностью с внешним перфорированным цилиндром, пространство кольцевой адсорбционной корзины, заполненное адсорбентом, разделяют по высоте слоя на N одинаковых кольцевых адсорбционных секций набором из N-1 дополнительных сплошных пластин, при этом счет дополнительных сплошных пластин ведут по высоте адсорбера снизу вверх, считая нижнюю сплошную дисковую пластину нулевой, нечетные дополнительные сплошные пластины выполняют в форме кольцевых пластин, сопряженных внешней окружностью с корпусом и внутренней окружностью с внутренним перфорированным цилиндром, а четные дополнительные сплошные пластины - в форме дисковых пластин, сопряженных внешней окружностью с внешним перфорированным цилиндром.

Положительный эффект влияния предлагаемого конструктивного решения на адсорбционные свойства адсорбента объясняется взаимосвязью рабочей адсорбционной активности адсорбента и скорости потока очищаемого газа, контактирующего со слоем адсорбента. Каждый адсорбент характеризуется понятием полной активности (емкости) по адсорбируемому компоненту а_мах, когда все свободное пространство гранул адсорбента равновесно заполнено этим веществом. В динамических условиях в слое адсорбента формируется зона массопередачи, обеспечивающая поглощение из потока очищаемого газа в данных условиях (в частности, при определенной скорости потока очищаемого газа) извлекаемого компонента от начальной концентрации С_нач до допустимой в ходе технологического процесса С_доп. Если толщина слоя адсорбента в кольцевой адсорбционной корзине L меньше длины зоны массопередачи L₀, то необходимое качество очистки газа вообще не будет достигнуто. Если толщина слоя адсорбента в кольцевой адсорбционной корзине L больше длины зоны массопередачи L₀, то по мере поглощения адсорбентом извлекаемой примеси, т.е насыщения адсорбента, зона массопередачи перемещается в слое адсорбента по направлению движения потока очищаемого газа (фигура 1). При толщине слоя адсорбента L>L₀ к моменту завершения стадии адсорбции из-за концентрации извлекаемого компонента на выходе из слоя адсорбента выше С_доп активно функционирует только часть слоя адсорбента (L-L₀), его рабочая активность а_раб которого меньше максимально возможной а_мах и рассчитывается следующим образом:

а_раб=а_мах*(L-L₀)/(L-L₀*(1–f)),

где f - фактор симметричности зоны массопередачи, обычно близкий к 0,5.

Величина длины зоны массопередачи L₀ зависит от скорости потока очищаемого газа W, проходящего через кольцевой слой адсорбента:

L₀=к*W^0,5,

где к - константа, характеризующая физико-химические свойства адсорбента и извлекаемого компонента.

При увеличении скорости потока в N раз зона массопередачи увеличивается в N^0,5 раз, тогда как толщина слоя адсорбента увеличивается в N раз, что фактически приводит к увеличению работающей (адсорбирующей) части слоя адсорбента. Именно этот принцип интенсификации массопереноса при динамической адсорбции примесей из потока очищаемого газа является теоретической базой заявляемого изобретения. Например, при конструктивной разбивке слоя адсорбента в цилиндрической адсорбционной корзине на четыре равные по высоте цилиндрические секции скорость потока очищаемого газа в каждой секции возрастет в четыре раза, а длина зоны массопередачи только в два раза, при этом совокупная толщина слоя четырех секций, сквозь которые пройдет поток газа станет в четыре раза больше. Согласно прототипу при L/L₀=3:

а_раб=а_мах*(L-L₀)/(L-0,5L₀)=а_мах*((L/L₀)-1)/((L/L₀)-0,5)=а_мах*(3-1)/(3-0,5)=0,8*а_мах.

По заявляемому изобретению при удвоении длины зоны массопередачи:

4L/2L₀=2(L/L₀)=2*3=6,

а_раб=а_мах*(4L-2L₀)/(4L-L₀)=а_мах*(1-(1/6))/(1-(1/12))=0,91*а_мах,

то есть рабочая динамическая активность адсорбента возрастет на 13,75 % отн., что позволяет:

- на 10-13 % сократить затраты на дорогостоящий адсорбент и при последующей коррекции проектирования уменьшить габариты и металлоемкость адсорбера, в частности, оставив три цилиндрические секции вместо четырех, упрощая при этом конструкцию аппарата;

- уменьшить энергозатраты на проведение регенерации адсорбента, соответственно, уменьшению загрузки адсорбента;

- сохраняя загрузку адсорбента и габариты адсорбера, на 10-13 % увеличить производительность аппарата по очищаемому газу или глубину его очистки при последующей коррекции проектирования.

Полезно ограниченному корпусом и внешним перфорированным цилиндром объему газового пространства адсорбера, поделенному на высоту секции кольцевой адсорбционной корзины, обеспечить площадь нормального сечения, равную суммарной площади перфораций внешнего перфорированного цилиндра секции кольцевой адсорбционной корзины, а ограниченному внутренним перфорированным цилиндром объему газового пространства центрального канала ввода потоков, поделенному на высоту секции кольцевой адсорбционной корзины, обеспечить площадь нормального сечения, равную суммарной площади перфораций внутреннего перфорированного цилиндра секции кольцевой адсорбционной корзины. При предлагаемом секционировании кольцевой адсорбционной корзины необходимо организовать такую структуру потока очищаемого газа в адсорбере в целом, чтобы движение газового потока осуществлялось с постоянной скоростью как при прохождении через слой адсорбента, так и в свободном пространстве адсорбера при перемещении потока очищаемого газа от одной секции к другой, что и достигается постоянством площади поперечного сечения потока между секциями как в вертикальном, так и в горизонтальном сечении, равном при этом суммарной площади перфораций, соответственно, внешнего или внутреннего перфорированного цилиндра секции для соответствующих зон адсорбера.

Целесообразно штуцер ввода потоков использовать для ввода очищаемого газа или газа продувки или для вывода газа десорбции с продуктами десорбции, а штуцер вывода потоков использовать для вывода очищаемого газа или газа продувки или ввода газа десорбции, что существенно конструктивно упрощает ввод и вывод потоков, поскольку соответствующие штуцера могут быть приварены к днищу и крышке адсорбера, а также не связаны с элементами внутренних устройств.

Целесообразно штуцеры ввода и вывода потоков менять по назначению, что позволит легко модифицировать обвязку адсорбера с различными технологическими линиями в соответствии с необходимостью варьирования технологии процесса, например, при использовании вакуума для регенерации адсорбента.

Целесообразно также расстояние между внешним и внутренним перфорированными цилиндрами обеспечивать фиксаторами, что повысит стабильность конструктивного состояния кольцевых адсорбционных секций, поскольку при проведении многочисленных высокотемпературных стадий регенерации в случае отсутствия фиксаторов под действием давления слоя адсорбента возможна постепенная деформация перфорированных цилиндров из-за снижения их механической прочности с постепенным увеличением расстояния между ними, приводящая к нарушению требования постоянства толщины слоя адсорбента.

Полезно также, чтобы внешний и внутренний перфорированный цилиндры изготавливали с щелевой или ситовой перфорацией, что позволит варьировать технологию производства кольцевой адсорбционной корзины в зависимости от оснащения завода-изготовителя, при этом минимальный размер перфорации внешнего и внутреннего перфорированных цилиндров обеспечивают меньше минимального размера гранул адсорбента во избежание просыпания адсорбента из секций кольцевой адсорбционной корзины, приводящего к выводу части адсорбента из сорбционного процесса и, соответственно, к снижению производительности адсорбера по очищаемому газу.

Целесообразно долю свободной площади перфорации внешнего и внутреннего перфорированных цилиндров обеспечивать равной 0,42-0,75 для того, чтобы структура потока очищаемого газа, проходящего сквозь перфорированные цилиндры была не хуже, чем при прохождении слоя адсорбента внутри секций цилиндрической адсорбционной корзины, поскольку порозность плотного слоя адсорбента для гранул адсорбента различной формы, эквивалентная доле свободной площади перфорации перфорированных цилиндров, составляет 0,4-0,42. Увеличение доли свободной площади перфорации выше 0,42 снизит гидравлическое сопротивление при прохождении газового потока через отверстия перфорации, что особенно важно для процессов очистки отходящих в атмосферу газов, имеющих, как правило, низкое избыточное давление, а также для снижения скорости потока при его перетоке из одной секции кольцевой адсорбционной корзины в другую для обеспечения его однородности. Увеличение доли свободной площади перфорации выше 0,75 нежелательно, поскольку в этом случае происходит снижение механической прочности перфорированной пластины, например, для щелевой перфорированной пластины толщиной 1 мм при диаметре гранул адсорбента 4 м и шаге щели 4 мм при ширине щели 3 мм ширина ребра, разделяющего щели, составит 1 мм, что соответствует доле свободной площади перфорации равной 0,75, а его сечение в 1 мм² сможет сохранять прочность на разрыв при нагрузке до 40 кг.

Также целесообразно места сопряжения сплошных пластин с соответствующими перфорированными цилиндрами выполнять в виде отбортовок, что обеспечит жесткое формирование кольцевых адсорбционных секций, при этом кромки отбортовки сплошных пластин направляют вверх. Возможно также исполнение кромки отбортовки сплошных пластин фигурной, имеющей трапециевидную форму и попеременно отгибающейся вверх и вниз. Для повышения жесткости конструкции комплекта кольцевых адсорбционных секций целесообразно также, чтобы кромки отбортовки верхней сплошной пластины были направлены вниз.

На фигурах 1-6 представлены графическое пояснение и непосредственно конструктивное решение заявляемого изобретения:

- фигура 1 - схема движения длины зоны массопередачи L₀ в слое адсорбента L по мере его насыщения извлекаемым компонентом:

а - начальная стадия адсорбции;

б - два момента времени процесса, τ₁<τ₂;

в - завершающая стадия адсорбции.

- фигура 2 - вертикальное сечение кольцевого адсорбера с четным числом секций на примере двухсекционного адсорбера;

- фигура 3 - вертикальное сечение кольцевого адсорбера с нечетным числом секций на примере трехсекционного адсорбера;

- фигура 4 - кольцевая сплошная пластина в двух проекциях;

- фигура 5 - дисковая сплошная пластина в двух проекциях;

- фигура 6 - фрагмент сборки секций кольцевой адсорбционной корзины;

с использованием следующих условных обозначений:

1 - корпус;

2 - днище;

3 - крышка;

4 - фланцевое соединение;

5 - штуцер ввода потоков;

6 - штуцер вывода потоков;

7 - секция кольцевой адсорбционной корзины;

8 - вертикальный внешний перфорированный цилиндр;

9 - вертикальный внутренний перфорированный цилиндр;

10 - слой адсорбента;

11 - нижняя сплошная пластина;

12 - дополнительная сплошная пластина;

13 - верхняя сплошная пластина;

14 - отбортовка;

15 - фиксатор;

16 - очищаемый газ;

17 - очищенный газ.

Кольцевой адсорбер в составе адсорбционной установки последовательно функционирует в трех режимах: адсорбционной очистки очищаемого газа до насыщения адсорбента извлекаемым компонентом, обработки адсорбента продувкой его потоком инертного газа, регенерации адсорбента продувкой его горячим десорбирующим газом. Как правило, направления ввода в слой адсорбента очищаемого газа и десорбирующего газа противоположны.

Принцип устройства кольцевого адсорбера с четным числом секций иллюстрируется примером двухсекционного кольцевого адсорбера (фигура 2). В корпусе 1, соединенном фланцевыми соединениями 4 с днищем 2 и крышкой 3, имеющими, соответственно, штуцер ввода потоков 5 и штуцер вывода потоков 6, размещены одна над другой две секции кольцевой адсорбционной корзины 7, ограниченные вертикальным внешним перфорированным цилиндром 8 и вертикальным внутренним перфорированным цилиндром 9, пространство между которыми заполнено адсорбентом 10. Нижняя секция кольцевой адсорбционной корзины 7 опирается на дисковую нижнюю сплошную пластину 11 с отбортовкой 14, которая крепится в центральной части корпуса 1 (крепление не показано). Нижняя секция кольцевой адсорбционной корзины 7 разделена с вышележащей секцией кольцевой адсорбционной корзины 7 кольцевой дополнительной сплошной пластиной 12 с отбортовкой 14. При четном числе секций кольцевой адсорбционной корзины 7 последняя из секций герметизируется сверху дисковой верхней сплошной пластиной 13 с отбортовкой 14. Постоянство расстояния между вертикальным внешним перфорированным цилиндром 8 и вертикальным внутренним перфорированным цилиндром 9 обеспечивается при помощи фиксаторов 15.

Устройство кольцевого адсорбера с нечетным числом секций иллюстрируется примером трехсекционного кольцевого адсорбера (фигура 3) аналогичного устройству кольцевого адсорбера с четным числом секций (фигура 2) за исключением того, что верхняя секция кольцевой адсорбционной корзины 7 герметизируется сверху кольцевой верхней сплошной пластиной 12 с отбортовкой 14. При формировании многосекционного адсорбера идет чередование кольцевых и дисковых дополнительных сплошных пластин 12.

Формирование отбортовки 14 на кольцевой сплошной пластине показано на фигуре 4, а на дисковой сплошной пластине - на фигуре 5. Фигура 6 иллюстрирует фрагмент сборки секций кольцевой адсорбционной корзины 7 при помощи дополнительных сплошных пластин 12 с отбортовками 14 и фиксаторами 15.

Рассмотрим принцип работы кольцевого адсорбера на примере двухсекционного кольцевого адсорбера (фигура 2). Очищаемый газ 16 поступает через штуцер ввода потока 5 днища 2 в нижнюю часть корпуса 1 и через кольцевой канал между корпусом 1 и дисковой нижней сплошной пластиной 11 нижней секции кольцевой адсорбционной корзины 7 (последовательно изменяя направление движения с осевого на радиальное) и далее через перфорацию вертикального внешнего перфорированного цилиндра 8 поступает в слой адсорбента 10, извлекающий примеси нежелательных компонентов из потока газа.

Далее очищаемый газ 16 через перфорацию вертикального внутреннего перфорированного цилиндра 9 выходит из слоя адсорбента 10, покидая нижнюю секцию кольцевой адсорбционной корзины 7, и по центральному осевому каналу, изменяя последовательно направление движения с радиального на осевое и вновь на радиальное, поступает в вышележащую секцию кольцевой адсорбционной корзины 7. Очищенный газ 17 покидает адсорбер через штуцер вывода потоков 6 в крышке 3. Аналогично кольцевой адсорбер работает с любым числом секций кольцевой адсорбционной корзины, организуя перекрестный ток очищаемого газа последовательно через все секции.

При необходимости продувки слоя адсорбента после завершения режима адсорбционной очистки очищаемого газа продувочный газ поступает через штуцер ввода потоков 5 в корпус 1, повторяя весь путь, который ранее проходил очищаемый газ 16, и покидает адсорбер через штуцер вывода потоков 6.

В режиме регенерации адсорбента через штуцер вывода потоков 6 подают горячий десорбирующий газ, который проходя противотоком по отношению к пути очищаемого газа секции кольцевой адсорбционной корзины 7, обеспечивает десорбцию ранее извлеченного компонента из слоя адсорбента 10 и вместе с продуктами десорбции покидает адсорбер через штуцер ввода потоков 5.

Пример. Смесь углеводородов толуол-н-гептан с концентрацией толуола 20 % об. разделяют цеолитами NaX в трех кольцевых адсорберах с одинаковыми загрузкой адсорбента и расходом сырья, но с разными толщиной и сечением слоя адсорбента и, соответственно, разными скоростями потока, что позволяет с конструктивных позиций рассматривать кольцевые адсорберы как односекционный, двухсекционный и трехсекционный. В каждом эксперименте определяется рабочая активность (емкость) а_раб цеолитов NaX при очистке сырья от толуола до одинаковой допустимой концентрации толуола С_доп в очищенном н-гептане 0,1 % об. Максимальная адсорбционная активность а_мах цеолитов NaX по толуолу составляет 15,00 % масс. Для оценки эффективности секционирования определяет коэффициент эффективности работы адсорбера К=а_раб/а_мах. Как следует из данных таблицы 1, секционирование кольцевого адсорбера с переходом от одной к двум и к трем секциям позволяет увеличить динамическую рабочую активность цеолитов а_раб, соответственно, на 12,37 и 14,25 % отн., а коэффициент эффективности работы адсорбера К за счет секционирования, соответственно, увеличить от 0,75 до 0,83 и 0,86, что достаточно корректно согласуется с выше приведенным теоретическим обоснованием рациональности секционирования адсорбционного пространства аппарата.

Таким образом, предлагаемое секционирование кольцевого адсорбера обеспечивает поставленную задачу повышения рабочей адсорбционной активности адсорбента путем совершенствования конструкции аппарата, что обеспечивает увеличение производительности адсорбера по очищаемому газу или глубины очистки газа при сохранении габаритов адсорбера или ресурсосбережение за счет уменьшения габаритов адсорбера при сохранении производительности адсорбера по газу и глубины его очистки.