УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУШКИ ГАЗА

Описание полезной модели
МПК B01D 53/04
Устройство для осушки газа
Заявляемая полезная модель относится к области газовой, нефтяной, химической и других отраслей промышленности и может быть использована для промышленной адсорбции газов или паров.
Известно устройство для подготовки газов, содержащее два параллельно установленных адсорбера, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным устройством, первый - для адсорбции, а другой - для десорбции, холодильную машину, причем в качестве холодильной машины установлена холодильная машина, оборудованная компрессором, теплообменное устройство, совмещенное с первым адсорбером, соединено с компрессором, а компрессор - с теплообменным устройством, совмещенным с другим адсорбером, оснащенным линией подачи в него очищенного газа [патент на изобретение RU2456059, МПК B01D53/04, дата публикации 20.10.2011].
Недостатком известного устройства является то, что охлаждение адсорберов производят с помощью специального устройства - холодильной машины. Также согласно известному устройству предполагается использование теплоносителя и блока его подготовки и системы подачи теплоносителя. При этом использование дополнительных устройств значительно снижает надежность устройства осушки газа. Кроме того, наблюдается недостаточная эффективность регенерации адсорберов из-за неравномерного нагрева адсорбента внутри адсорбера.
В качестве прототипа было выбрано устройство для осушки и очистки сжатого газа, включающее два адсорбера, каждый из которых содержит вертикально ориентированный корпус с цилиндрической стенкой, крышкой и днищем, и входной и выходной патрубки с размещенными в них фильтрующими элементами, при этом корпус каждого адсорбера заполнен адсорбентом, а на наружной поверхности стенки корпуса закреплены нагревательные элементы, закрытые теплоизолирующим кожухом, причем оба адсорбера установлены соосно и зеркально друг другу, разделены поперечной теплоизолирующей перегородкой и расположены внутри общего теплоизолирующего кожуха с верхним и нижним торцевыми фланцами, при этом входной и выходной патрубки в каждом адсорбере расположены в крышке его корпуса, между корпусом и крышкой каждого адсорбера установлена ступица с центральным и периферийными отверстиями, в центральном отверстии ступицы каждого адсорбера установлена труба, один конец которой соединен с входным патрубком, а второй конец, на котором закреплен рассекатель, расположен в районе днища корпуса с зазором не более 20 мм. [Патент на полезную модель RU34399, дата публикации 10.12.2003, МПК B01D53/04].
Недостатком прототипа является то, что в устройстве по прототипу используются адсорберы, обеспечивающие недостаточную равномерность их нагрева от нагревательного элемента. Адсорбент, расположенный у внутренней поверхности корпуса адсорберов, в процессе регенерации нагревается на большие температуры, чем адсорбент, находящийся в центре адсорбера. Таким образом, адсорбент регенерируется неравномерно, что понижает эффективность работы адсорбера в дальнейшем. Кроме того, в устройстве по прототипу отсутствуют дополнительные средства для отведения десорбированных компонентов из адсорбера, что не позволяет достичь необходимых показателей эффективности регенерации адсорберов, а также обуславливает необходимость нагрева адсорберов до высоких температур в процессе их регенерации. Это увеличивает потери адсорбента при прокаливании, снижает срок службы адсорберов и их надежность.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - повышение эффективности работы устройства по осушке газа при одновременном повышении надежности адсорберов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство - повышение эффективности  работы устройства для осушки газа за счет повышения эффективности регенерации адсорберов при одновременном повышении надежности адсорберов.
Сущность заявляемого устройства заключается в следующем.
Устройство для осушки газа содержит расположенные в кожухе со входом для подачи газа, выходом для газа и выходом для продуктов регенерации две параллельно установленные равные группы адсорберов, каждый из адсорберов содержит вертикально расположенный и наполненный гранулированным адсорбентом цилиндрический корпус с верхним основанием и днищем, входной патрубок и выходной патрубок. Каждый входной патрубок герметично соединен газопроводом со входом для подачи газа и расположен с возможностью подачи газа от верхнего основания к днищу. Каждый выходной патрубок герметично соединен газопроводом с выходом для газа. Корпус  с внешней стороны снабжен нагревательным элементом с наружной теплоизоляцией, выполненным с возможностью равномерного нагревания корпуса по его длине. В отличие от прототипа, каждый выходной патрубок расположен с возможностью отвода газа от днища соответствующего адсорбера, внутри кожуха дополнительно расположено средство для создания вакуума, герметично соединенное с выходом для продуктов регенерации, каждый адсорбер выполнен с возможностью поочередного герметичного подключения к средству для создания вакуума и с образованием линии движения газа к входу для подачи газа и выходу газа, при этом нагревательные элементы выполнены с возможностью включения и выключения одновременно со средством для создания вакуума.
Предпочтительно группы адсорберов выполнены с возможностью одновременного подключения адсорберов одной группы к входу для подачи газа и выходу газа, а адсорберов другой группы - к средству для создания вакуума. Это позволяет достичь высокой производительности заявляемой установки и повышает ее эффективность за счет одновременного протекания процессов адсорбции и регенерации и отсутствия необходимости остановки процесса осушки газа.
Использование в процессе регенерации средства для создания вакуума, работающего одновременно с нагревательным элементом, позволяет повысить эффективность регенерации за счет отведения десорбированных компонентов из адсорбера. Кроме того, использование средства для создания вакуума позволяет нагревать адсорбер до более низких температур, что позволяет уменьшить потери адсорбента при прокаливании и повысить срок службы адсорберов и их надежность.
Согласно заявляемому устройству, отвод десорбированной влаги может быть обеспечен средством для создания вакуума. Конструкция адсорбера не требует расхода газа на регенерацию, то есть осуществления продувки газом.
Предпочтительно внутренний диаметр каждого адсорбера имеет значение от 3 до 30 см.
Выполнение внутреннего диаметра корпуса каждого адсорбера в определенном диапазоне позволяет обеспечить равномерный прогрев адсорбента по всему его объему как в центре адсорбера, так и у внутренней поверхности корпуса. Обеспечение равномерного прогревания адсорбента позволяет повысить эффективность регенерации адсорбера. Повышение эффективности регенерации позволяет достичь повышения эффективности работы заявляемой установки в целом, поскольку внутренний диаметр корпуса, выполненный в определенном диапазоне позволяет обеспечить равномерное прохождение газа через весь слой адсорбента, исключая застойные зоны, и равномерно прогреть всю массу адсорбента, в том числе в центре.
Необходимый размер внутреннего диаметра корпуса был определен опытным путем. Значение внутреннего диаметра корпуса зависит от мощности нагревательного элемента. В случае выполнения внутреннего диаметра корпуса менее 3 см ближе к центральной оси корпуса, регенерация адсорбера будет не эффективной, потому что будет наблюдаться слишком высокая скорость движения газа и динамическая адсорбция не будет успевать проходить. В случае выполнения внутреннего диаметра корпуса более 30 см, ближе к центральной оси корпуса адсорбент не нагревается, тем самым в процессе регенерации адсорбера образуется застойная зона, где адсорбент остается не отрегенерированным.
В зависимости от давления газа, подаваемого на адсорберы, подбирают толщину и материал составных элементов адсорберов.
В качестве гранулированного адсорбента может быть использован, например, алюмосиликатный осушитель, активированный оксид алюминия или иной гранулированный адсорбент.
Высота столба адсорбентов определяется расчетным путем, исходя из размеров внутреннего диаметра корпуса. Из литературы известно, что отношение высоты столба адсорбента к внутреннему диаметру корпуса должно быть не менее 4. Если отношение высоты адсорбента к внутреннему диаметру корпуса не соблюдено, то значительно увеличивается вероятность образования застойных зон: не вся площадь адсорбента используется для адсорбции, что обуславливает необходимость более частой регенерации зоны адсорбера, на которую направлена наибольшая нагрузка.
Корпус каждого адсорбера выполнен в виде полого цилиндра, при этом верхнее основание может быть выполнено в виде крышки, то есть присоединено к корпусу путем разъемного крепления, например, путем использования шпильки с гайкой. Разъемное крепление верхнего основания позволяет ускорить процесс замены адсорбента в адсорберах, а именно загрузки адсорбента, а значит повысить производительность каждого адсорбера.
Днище корпуса каждого адсорбера может быть жестко прикреплено к корпусу, например, путем сварки  или путем разъемного соединения, например, путем использования шпильки с гайкой. Разъемное крепление днища позволяет ускорить процесс замены адсорбента в адсорберах, а именно выгрузки адсорбента, а значит повысить производительность каждого адсорбера.
Каждый из нагревательных элементов может быть выполнен в виде подключенной к источнику питания обмотанной вокруг корпуса металлической спирали или колец с шагом, обеспечивающим равномерный прогрев корпуса по его длине или в виде подключенной к средству для нагрева теплоносителя теплоизолированной рубашки с циркулирующим теплоносителем или иного средства, обеспечивающего равномерный прогрев корпуса по его длине. Шаг колец или спирали зависит от длины корпуса и предпочтительно составляет от 0 до 4 см, что позволяет достичь максимально равномерного нагрева корпуса.
Внутри входных и выходных патрубков поперек потока воздуха предпочтительно размещены фильтрующие элементы, препятствующие выносу адсорбента за пределы адсорбера. Каждый из входных или выходных патрубков может быть выполнен в виде полого цилиндра или в виде цилиндроообразного элемента, состоящего из соединенных между собой двух частей: первой части, выполненной в виде полого цилиндра и размещенной снаружи корпуса, и второй части, размещенной внутри корпуса и  выполненной перфорированной. Перфорация позволяет более равномерно распределить поток газа внутри адсорбера.
Каждый входной патрубок может быть расположен в верхнем основании, обязательным условием является обеспечение подачи газа по направлению от верхнего основания к днищу, то есть подачи воздуха сверху, когда адсорбер находится в вертикальном положении.
Каждый выходной патрубок может быть расположен в днище. Выполнение выходного патрубка так, что он расположен с возможностью отвода газа от днища, то есть снизу адсорбера, когда адсорбер находится в вертикальном положении, обеспечивает движение газа сверху вниз, что препятствует возникновению кипящего слоя в адсорбенте и увеличивает срок службы адсорбента.
Корпус каждого адсорбера может быть снабжен верхним и нижним торцевыми фланцами, при этом торцевые фланцы предпочтительно являются ограничителями теплоизоляции нагревательного элемента, что ускоряет естественное охлаждение адсорбера в процессе регенерации за счет теплоотдачи в окружающую среду, а значит повышает производительность регенерации. Таким образом, верхняя и нижняя части корпуса с внешней стороны предпочтительно снабжены верхним и нижним торцевыми фланцами соответственно, предназначенными для крепления адсорбера, например, к панели в составе установки для осушки газа. Торцевые фланцы могут быть жестко присоединены к корпусу, например, посредством спайки или разъемно с помощью закладного кольца, которое размещено в пазе каждого торцевого фланца между соответствующим торцевым фланцем и корпусом и обеспечивает их соединение без зазора. При этом закладное кольцо  препятствует срыванию верхнего и нижнего торцевых фланцев вверх и вниз соответственно. Использование закладного кольца позволяет избежать сварного соединения нежелательного для сосудов из высокопрочных сталей, используемых на высоких давлениях. Использование закладных колец повышает надежность крепления торцевых фланцев к корпусу.
Каждая группа адсорберов предпочтительно состоит из параллельно расположенных адсорберов.
Заявляемое устройство может дополнительно содержать расположенные внутри кожуха блок управления и датчик влажности, подключенный к выходу для газа и блоку управления, который подключен к каждому нагревательному элементу и к средству для создания вакуума и выполнен с возможностью автоматического управления их работой посредством сигнала от датчика влажности. Датчик влажности предназначен для регистрации показаний влажности газа на выходе из установки и подачи блоку управления сигнала на замену группы адсорберов, сушку которой осуществляют, а, следовательно сигнала на включение средства для создания вакуума и, следовательно соответствующих нагревательных элементов.
Дополнительно корпус каждого адсорбера может быть снабжен датчиком температуры и давления нагревательного элемента, подключенными к блоку управления, а входной патрубок каждого адсорбера - датчиком давления газа (не показан на чертежах), которые предназначены для управления работой нагревательного элемента.
Средство для создания вакуума может быть выполнено в виде вакуумного насоса или иного устройства того же назначения.
Выход средства для создания вакуума может быть соединен с емкостью для сбора конденсата, снабженной сливным отверстием, подсоединенным к выходу для продуктов регенерации.
Адсорберы могут быть закреплены на установленной внутри кожуха панели в вертикальном положении посредством верхних и нижних торцевых фланцев.
Вход средства для создания вакуума снабжен датчиком температуры паров, подключенным к блоку управления, предназначенным для регистрации температуры паров, поступаемых в средство для создания вакуума и управления выключением средства для создания вакуума.
Управление включением и выключением средства для создания вакуума также может быть осуществлено посредством заданного в блоке управления алгоритма, к которому подключено средство для создания вакуума или посредством ручного включения оператором.
Заявляемая установка может дополнительно содержать влагомаслоотделитель, расположенный на линии газопровода, соединяющего вход для подачи газа и входные патрубки адсорберов. Выход влагомаслоотделителя предпочтительно герметично соединен с влагомаслонакопителем, снабженным сливным отверстием. Использование влагомаслоотделителя позволяет добиться дополнительно увеличения эффективности работы заявляемой установки по осушке газа за счет отделения капельной влаги и масляного тумана, который может присутствовать в компримированном газе. Отделение капельной влаги позволяет увеличить влагоемкость адсорбента, так как он будет поглощать только парообразную влагу, которую не может уловить влагомаслоотделитель.
Заявляемое устройство в отличие от прототипа обладает рядом отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое устройство может быть изготовлено и применено с помощью известных средств, методов и веществ, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемое устройство поясняется чертежами:
Фиг. 1 - устройство для осушки газа (принципиальная схема)
Фиг. 2 - где совместно изображены адсорбер (вид спереди) и продольное сечение адсорбера.
Устройство для осушки газа содержит расположенные в кожухе 1 со входом для подачи газа 2, выходом для газа 3 и выходом для продуктов регенерации 4 две параллельно установленные равные группы адсорберов 5 и 6. Каждая группа адсорберов 5 или 6 содержит два параллельно расположенных адсорбера 7.
Внутри кожуха 1 дополнительно расположено средство для создания вакуума 8 в виде вакуумного насоса. Каждый адсорбер 7 выполнен с возможностью поочередного герметичного подключения к средству для создания вакуума 8 и с образованием линии движения газа к входу для подачи газа 2 и выходу газа 3 посредством запорных элементов К1, К2, К3, К4, К5, К6, при этом группы адсорберов 5 и 6 выполнены с возможностью одновременного подключения адсорберов 7 одной группы к входу для подачи газа 2 и выходу газа 3, а адсорберов 7 другой группы - к средству для создания вакуума 8.
Каждый адсорбер 7 содержит наполненный гранулированным адсорбентом 9 цилиндрический корпус 10 с верхним основанием 11 и днищем 12, входной патрубок 13 и выходной патрубок 14. Верхнее основание 11 выполнено в виде крышки и присоединено к корпусу 10 путем использования шпильки 15 с гайкой 16. Днище прикреплено к корпусу 10 путем использования шпильки 17 с гайкой 18. Входной патрубок 13 расположен в верхнем основании 3 и герметично соединен газопроводом (не обозначен на чертежах) со входом для подачи газа 2. Выходной патрубок 6 расположен в днище 4 и герметично соединен газопроводом (не обозначен на чертежах) с выходом для газа 3. Корпус 10 с внешней стороны снабжен нагревательным элементом 19 с наружной теплоизоляцией 20, выполненным с возможностью равномерного нагревания корпуса 10 по его длине h. Внутренний диаметр d корпуса 10 имеет значение А см.
В качестве гранулированного адсорбента 9 использован алюмосиликатный осушитель.
Нагревательные элементы 19 выполнены с возможностью включения и выключения одновременно со средством для создания вакуума 8. Нагревательный элемент 19 выполнен в виде подключенной к источнику питания (не показан на чертежах) металлической спирали, обмотанной вокруг корпуса 10 с шагом 20 мм.
Входной патрубок 13 или выходной патрубок 14 каждый выполнен в виде полого цилиндра. Внутри входного и выходного патрубков 13 и 14 поперек размещены фильтрующие элементы (не показаны на чертежах), препятствующие выносу адсорбента 9 за пределы адсорбера 7.
Корпус 10 каждого адсорбера 7 снабжен верхним и нижним торцевыми фланцами 21 и 22 соответственно, при этом торцевые фланцы 21 и 22 являются ограничителями теплоизоляции нагревательного элемента 19. Торцевые фланцы 21 и 22 присоединены к корпусу 10 с помощью закладных колец 23 и 24,  каждый из которых  размещен в пазе (не обозначены на чертежах) соответствующего торцевого фланца 21 или 22.
Корпус 10 каждого адсорбера снабжен датчиком температуры и давления (не показан на чертежах) нагревательного элемента 19, а входной патрубок 13 каждого адсорбера 7 - датчиком давления газа (не показан на чертежах).
Каждая группа адсорберов 5 и 6 состоит из четырех параллельно расположенных адсорберов 7, размещенных вертикально.
Заявляемое устройство дополнительно содержит расположенные внутри кожуха 1 блок управления 25 и датчик влажности 26, подключенный к выходу для газа 3 и блоку управления 25, который подключен к каждому нагревательному элементу 19 и к средству для создания вакуума 8 и выполнен с возможностью автоматического управления их работой посредством сигнала от датчика влажности 26.
Выход средства для создания вакуума 8 соединен с емкостью для сбора конденсата 27, снабженной сливным отверстием 28, подсоединенным к выходу для продуктов регенерации 4.
Адсорберы 7 закреплены на установленной внутри кожуха 1 панели (не показана на чертежах) в вертикальном положении посредством верхних и нижних торцевых фланцев 21 и 22.
Вход средства для создания вакуума 8 снабжен датчиком температуры паров (не показан на чертежах), подключенным к блоку управления 25, предназначенным для регистрации температуры паров, поступаемых в средство для создания вакуума 8 и управления выключением средства для создания вакуума 8.
Установка дополнительно содержит влагомаслоотделитель 29, расположенный на линии газопровода, соединяющего вход для подачи газа 2 и входные патрубки 5 адсорберов 7. Выход влагомаслоотделителя 29 герметично соединен с влагомаслонакопителем 30, снабженным сливным отверстием 31, расположенным в кожухе 1.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем.
Первоначально, поступающий в установку газ проходит влагомаслоотделитель 29, где происходит очистка газа от воды и масел, при этом пары скапливаются во влагомаслонакопителе 30, где конденсируются и выливаются за пределы установки через сливное отверстие 31.
Далее вторая группа адсорберов 6 осуществляет осушку газа, а первая группа адсорберов 5 находится в нерабочем положении. Далее датчик влажности 26 регистрирует показания влажности во второй группе адсорберов 6. После достижения определенного значения влажности (насыщения влагой) адсорбентов 7 второй группы адсорберов 6, датчик влажности 26 подает сигнал блоку управления 25 на переключение группы адсорберов, которая осуществляет осушку газа.
Далее посредством блока управления 25 запорные элементы К1 и К2 открываются, а запорный элемент К3 закрывается, первая группа адсорберов 5 осуществляет работу по осушке газа, а вторая группа адсорберов 6 одновременно переключается в режим регенерации, то есть запорные элементы К4 и К5 закрываются, а запорный элемент К6 открывается.
Газ через вход для подачи газа 2 поступает в первую группу адсорберов. Газ сверху через входной патрубок 5 поступает в адсорбер 7, проходя слой адсорбента 1 очищается от паров воды и выходит снизу через выходной патрубок 6. При этом фильтрующие элементы препятствуют выносу адсорбента за пределы корпуса 2.
Регенерация второй группы адсорберов 6 происходит следующим образом. Включается средство для создания вакуума 8 и одновременно включаются нагревательные элементы 19 второй группы адсорберов 6, равномерно по всей длине h корпуса 10, нагревая адсорберы 7 второй группы адсорберов 6 до необходимой заданной температуры, зависящей от вида адсорбента 9. Датчик температуры нагревательного элемента 19 фиксирует показания температуры нагревательного элемента 19. Образующийся десорбированный пар выходит через входной патрубок 5.
Далее адсорбированные компоненты в виде пара и конденсата попадают через средство для создания вакуума 8 в емкость для сбора конденсата 27, откуда сливаются через сливное отверстие 28.
Датчик температуры пара регистрирует температуру пара, поступаемого в средство для создания вакуума 8 и подает соответствующий сигнал на блок управления 25. Когда датчик температуры пара фиксирует, что температура десорбированного пара, поступающего в средство для создания вакуума 8, перестает расти и начинает падать, средство для создания вакуума 8 и нагревательный элемент 19 посредством блока управления 25 выключаются. Адсорберы 7 второй группы адсорберов 6 охлаждаются естественным путем, при этом торцевые фланцы 11 и 12 ускоряют процесс естественного охлаждения за счет теплоотдачи в окружающую среду.
После достижения определенного значения влажности (насыщения влагой) адсорбента 7 первой группы адсорберов 5, датчик влажности 26 подает сигнал блоку управления 25 на переключение группы адсорберов, которая осуществляет осушку газа. Таким образом, далее вторая группа адсорберов 6 осуществляет работу по осушке газа, а первая группа адсорберов 5 переключается в режим регенерации.
Датчик давления регистрирует давление в адсорберах 7 и препятствует включению средства для создания вакуума 8 и нагревательного кабеля 19 в случае наличия давления в адсорберах 7 путем подачи сигнала в блок управления 25.
С целью подтверждения достижения технического результата были изготовлены опытные образцы.
Пример 1, 3, 5, 7, 9. Устройство для осушки газа содержит две параллельно установленные равные группы адсорберов, расположенные в кожухе с входом для подачи газа и выходом для газа. Каждая группа адсорберов содержит два параллельно расположенных адсорбера. Каждый адсорбер герметично соединен с входом для подачи газа и выходом газа. Адсорберы выполнены, как показано на фиг. 2, и отличаются размером внутреннего диаметра d корпуса адсорберов.
Пример 2, 4, 6, 8, 10.
Устройства, показанные на чертежах, содержат средство для создания вакуума и отличаются размером внутреннего диаметра d корпуса адсорберов.
Полученные значения эффективности регенерации устройств по примерам 1 - 11 представлены в Таблице 1.
Как видно из Таблицы 1, заявляемое устройство обеспечивает равномерный нагрев адсорбента, находящегося как у внутренней поверхности корпуса, так и в центре адсорбера. Кроме того, средство для создания вакуума дополнительно позволяет повысить эффективность, уменьшить энергоэффективность регенерации и повысить надежность адсорберов. При выполнении внутреннего диаметра корпуса менее 3 см, время адсорбции стремится к нулю, при этом увеличивается скорость прохождения слоя адсорбента, а следовательно эффективность адсорбции падает. При внутреннем диаметре корпуса более 30 см, температура в центре адсорбера значительно падает. Влагомаслоотделитель отбивает капельную влагу и уменьшает удельное количество влаги в газе. Таким образом, заявляемое устройство позволяет достичь следующий технический результат - повышение эффективности работы устройства для осушки газа за счет повышения эффективности регенерации адсорберов при одновременном повышении надежности адсорберов.