АДСОРБЦИОННАЯ ЛОВУШКА

Область техники
Полезная модель относится к устройствам для адсорбционного удаления примесей влаги и специфических химических соединений из газового потока и может быть использована в системах адсорбционной очистки газов, анализаторах хемосорбции и т.п.
Уровень техники
Обычно проточная адсорбционная ловушка представляет собой стеклянную либо металлическую трубку, заполненную сорбентом. Герметичное присоединение газовых линий происходит с двух сторон трубки, поэтому для замены сорбента необходима разборка конструкции в двух местах.
Из уровня техники известно устройство для очистки газов от механических частиц, влаги и химических соединений, которое может быть использовано в газодобывающей, металлургической, химической, пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности с целью обеспечения технологических требований к потребляемым и выделяемым газам для различных типов производств (Патент RU 2610609). Устройство состоит из корпуса 1 с расположенными в нем кольцевым перфорированным цилиндром 5, в корпусе 1 внизу герметично закреплен нижний фланец со штуцером 2 для подачи газа на очистку под давлением, внутри корпуса 1 образована внутренняя полость 3 между стенкой корпуса и наружной стенкой 4 кольцевого перфорированного цилиндра 5, установленного в корпусе 1 с зазором, к наружной и внутренней поверхностям которого примыкает сетка с размерами ячеек, меньшими, чем размер перфорации стенок цилиндра. Внутренняя полость кольцевого перфорированного цилиндра 5, образованная его стенками, заполнена адсорбционным гранулированным материалом, причем размер ячеек сетки меньше размера гранул адсорбционного материала, внутри кольцевого перфорированного цилиндра 5 с зазором относительно его внутренней стенки 6 установлен пористый цилиндрический фильтр 7, на верху корпуса 1 расположена съемная верхняя крышка 8 со штуцером для выхода очищенного газа, крепящаяся к корпусу устройства герметично с помощью прокладки 9 и хомута 10, с внутренней стороны съемной верхней крышки 8 выполнен кольцевой выступ 11, который расположен таким образом, что заходит в верхнюю часть внутренней полости кольцевого перфорированного цилиндра 5, прикрепленного к верхней крышке 8, к нижней части кольцевого перфорированного цилиндра 5 герметично прикреплен фланец 12 с окнами, имеющий кольцевой выступ 13, который заходит в нижнюю часть внутренней полости кольцевого перфорированного цилиндра 5, закрытый съемной крышкой 14, крепящейся на фланце 13 с окнами с помощью крепежных элементов, к штуцеру съемной верхней крышки 8 герметично прикреплен верхний конец пористого цилиндрического фильтра, а нижний его конец герметично закрыт заглушкой 18, к внутренней полости, образованной стенкой корпуса и перфорированным кольцевым цилиндром, присоединен предохранительный клапан 19, настроенный на определенное давление. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки газов, увеличить ресурс его работы, повысить надежность, а также позволяет применять устройство в произвольном пространственном положении (например, во время вращения или поворота) с сохранением высокой степени очистки.
Однако для восстановления работоспособности фильтра необходимо заменять фильтрующие элементы для их регенерации, что связано с извлечением всего устройства из технологической линии, в которое оно встроено. Таким образом, регенерация данного устройства при эксплуатации является достаточно сложной.
В полезной модели RU 77444 описана конструкция сорбционной трубки и ее использование при газохроматографическом определении массовой концентрации примесей в природном газе. Сорбционная трубка представляет собой трубчатый корпус с расположенными на его концах шариковыми клапанами и сорбентом во внутренней части. Устройство содержит корпус с емкостью для размещения сорбционной трубки, который снабжен иголками с внутренними каналами, обеспечивающими открывание клапанов сорбционной трубки, которое может быть использовано при осуществлении отбора пробы природного газа.
Недостатком данного решения является то, что герметичное присоединение газовой линии происходит с двух сторон трубки, снабженными подпружиненными шариковыми клапанами, усложняющими конструкцию, снижающими ее надежность, а также, вызывающими сложности с заменой сорбента из-за необходимости их предварительного демонтажа.
Из уровня техники известны также сорбционные ловушки, применяемые, преимущественно в вакуумных системах, для улавливания паров или газов с целью предотвращения их проникновения из одной части вакуумной системы в другую.
В частности, известна адсорбционная ловушка (SU 1576737), содержащая цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, коаксиально размещенную в корпусе кассету с адсорбентом, внутренняя полость которой сообщена с входным патрубком, размещенным на цилиндрической поверхности корпуса. При этом корпус снабжен торцевыми крышками, на одной из которых установлен входной патрубок, при этом крышки снабжены цилиндрическими канавками. Кассета выполнена в виде беличьего колеса с упругими образующими, снабженными на их торцах внутренними и внешними кольцами для закрепления на образующих адсорбента, выполненного из сорбционно-активной ткани, при этом кольца размещены в упомянутых цилиндрических канавках. Данная ловушка характеризуется повышенной защитной способностью.
Однако данная конструкция рассчитана на применение в вакуумной технике, и ее использование в потоках даже под небольшим давлением может приводить к негерметичности входных и выходных соединений.
Известна также адсорбционная ловушка (http://www.pro-vacuum.ru/primenenie-vakuumnoi-tekhniki/lovushki.html'). Ловушка представляет собой участок трубопровода, в котором размещен сорбент, препятствующий проникновению паров и конденсирующихся газов.
Однако данная конструкция сорбционной ловушки не обеспечивает герметичность соединений при использовании потоков даже при небольших давлениях.
Из уровня техники известны также адсорбционные ловушки VISI-TRAP и POSI-TRAP (http://www.eltm.ru/vakuumnve-lovushki-i-filtry.html/nid/1716). Адсорбционная ловушка VISI-TRAP состоит из прозрачного пластмассового корпуса с фильтром чужеродных частиц для защиты насоса от коррозии или вакуума от потока масляных паров из насоса. Конструкция ловушки обеспечивает размещение различных фильтрующих элементов (для воды, масла или коррозийных химикалий) и адаптеров для индивидуального использования, которые могут быть заменены без открытия вакуумной системы. Адсорбционная ловушка POSI-TRAP выполнена в виде корпуса, изготовленного из нержавеющей стали, снабженного фланцами для ее размещения под углом 180° или 90° к технологической линии, в котором на впуске и выпуске расположены уплотненные фильтрующие элементы для обеспечения полной фильтрации газа. Возможно использование фильтров для различных применений.
Однако все вакуумные системы не рассчитаны на потоки под давлением выше атмосферного, их уплотнения могут быть негерметичны. Кроме того, как правило, вакуумные ловушки имеют большой свободный объем, что не позволяет их использовать, например, в анализаторах хемосорбции, где ловушки устанавливаются между реактором и детектором, и объем линий между ними должен быть минимальным, чтобы не происходило размывание сигнала.
Наиболее близким к заявляемой конструкции является портативный держатель с газоотводящими трубками, содержащими сорбент (трубками-сорбентами) (патент US 4389372). Каждая трубка с сорбентом имеет коническую область на противоположных концах и отверстия, для пропускания газа через материал сорбента. Держатель содержит торцевые резьбовые втулки, в которых размещены уплотнительные кольца, обеспечивающие фиксацию трубки с сорбентом и герметизацию камеры с ней.
Недостатком данного решения является то, что герметичное присоединение газовой линии происходит с двух сторон трубки, поэтому для замены сорбента в трубке или трубки целиком в сборе с сорбентом необходима разборка конструкции в двух местах - с каждой из сторон трубки.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, решаемой настоящей полезной моделью, является создание адсорбционной ловушки с минимальным числом конструктивных элементов, обеспечивающих качественное, надежное и герметичное крепление внутренней трубки с сорбентом, а также простое и быстрое выполнение технологических работ с трубкой, включая ее замену целиком в сборе и/или замену сорбента в ней.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении процесса сборки/разборки адсорбционной ловушки (при установке или замены ловушки, замены трубки или сорбента) при обеспечении надежной герметизации внутренней трубки ловушки от внешней среды.
Технический результат обеспечивается посредством конструктивного решения адсорбционной ловушки для удаления примесей из газового потока, которая включает корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы для газового потока, и расположенную в корпусе трубку с сорбентом, имеющую входной и выходной концы, при этом трубка снабжена держателем с обеспечением его разъемного герметичного соединения с корпусом, где держатель выполнен в виде изолирующего цилиндра с полостью для размещения трубки, заглушенного на одном конце, на котором размещен шестигранник, другой конец изолирующего цилиндра снабжен внешней резьбой для фиксации держателя в корпусе ловушки, при этом ответная часть внутренней поверхности корпуса снабжена внутренней резьбой, корпус выполнен с ложементом для герметичного размещения ответной части трубки, входной конец которой размещен со стороны заглушенного конца изолирующего цилиндра, а трубка в держателе размещена с обеспечением зазора между внешней поверхностью трубки и внутренней поверхностью изолирующего цилиндра для прохода газа из входного канала корпуса к входному концу трубки с сорбентом и из выходного конца трубки в выходной канал корпуса.
Герметичное соединение держателя с корпусом реализовано посредством кольцевого уплотнения. Герметичное размещение трубки в ложементе реализовано посредством кольцевого эластичного уплотнения и прижимной шайбы. Корпус выполнен в виде тела вращения со сквозным осевым каналом, при этом корпус имеет центральную и боковые цилиндрические части, где центральная часть выполнена большего диаметра по сравнению с боковыми частями, в которой входной канал размещен радиально, часть осевого канала служит каналом для выходного газового потока, а оставшаяся часть - для размещения держателя трубки с сорбентом. Изолирующий цилиндр с внешней стороны снабжен посадочным местом под кольцевое уплотнение. Трубка размещена в полости изолирующего цилиндра с кольцевым зазором, обеспечивающим свободное прохождение газа. Трубка может быть изготовлена из стекла либо нержавеющей стали.
Заявляемая конструкция обеспечивает простоту сборки и обслуживания адсорбционной ловушки в процессе ее эксплуатации, т.е. позволяет производить с внутренней трубкой все необходимые действия, включая ее замену целиком в сборе и/или замену сорбента в ней.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен сборочный чертеж, на фиг. 2 - продольный разрез адсорбционной ловушки, на фиг. 3-3D сечение корпуса адсорбционной ловушки, включающего узел герметичного размещения входного конца трубки в корпусе, на фиг.4 - детали адсорбционной ловушки с указанием конкретных размеров (в миллиметрах), в соответствии с которыми был изготовлен опытный образец, на фиг.5 представлена фотография опытного образца адсорбционной ловушки, на фиг. 6 - фотография адсорбционной ловушки, закрепленной на панели анализатора хемосорбции.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - корпус, 2 - изолирующий цилиндр, 3 -трубка, 4 - кольцевое уплотнение, 5 - прижимная шайба, 6 - радиальные проточки, 7 -заглушки из кварцевой либо стеклянной ваты, 8 - сорбент, 9 - резьбовые соединения, 10 - шестигранная часть (шестигранник) под ключ для затяжки резьбового соединения 9 между изолирующим цилиндром 2 и корпусом 1, 11 - входной порт для газа, 12 -выходной порт для газа, 13 - отверстия для крепления корпуса 1, 14 - каналы для газового потока, 15 - полость внутри изолирующего цилиндра 2 для размещения внутренней трубки 3.
Осуществление полезной модели
Ниже представлено более детальное описание конструкции заявляемого устройства.
Корпус 1, изолирующий цилиндр 2 и прижимная шайба 5 могут быть выполнены из нержавеющей стали (фиг. 1). В корпусе 1 выполнены каналы для газового потока 14, отверстия 13 для крепления к внешним устройствам (поверхностям), входной и выходной порты 11 и 12 для потоков газа и соединения с внешними устройствами, резьбовое соединение 9 (резьба) для закрепления изолирующего цилиндра 2. При этом корпус предпочтительно выполнен в виде тела вращения со сквозным осевым каналом, и имеет центральную и боковые цилиндрические части, при этом центральная часть выполнена большего диаметра по сравнению с боковыми частями с размещенным в ней радиально ориентированным каналом для входного потока газа, сообщающимся с осевым каналом. Часть осевого канала, служит каналом для выходного газового потока, а оставшаяся часть - для размещения держателя трубки с сорбентом. Держатель трубки 3 с сорбентом 8 выполнен в виде изолирующего цилиндра 2 с полостью 15 для размещения трубки 3. Изолирующий цилиндр 2 снабжен шестигранником 10 на «глухом» его конце и внешней резьбой, размещенной на противоположном конце для фиксации в корпусе ловушки. При этом ответная часть внутренней поверхности корпуса снабжена внутренней резьбой. Держатель выполнен с возможностью герметичного соединения с корпусом посредством использования кольцевых уплотнений 4 и прижимной шайбы 5. Для обеспечения надежной герметизации внутреннего пространства держателя - полости 15 внутри изолирующего цилиндра 2, от внешней среды внутри корпуса 1 часть поверхности в зоне размещения кольцевых эластичных уплотнений 4 и прижимной шайбы 5 выполнена полированной, а изолирующий цилиндр 2 с внешней стороны снабжен посадочным местом под кольцевое уплотнение 4. Со стороны выходного порта 12 герметизация обеспечивается путем сжатия кольцевого уплотнения 4, расположенного на внутренней трубке 3, с помощью прижимной шайбы 5 при соединении изолирующего цилиндра 2 с корпусом 1 и затягивании резьбового соединения 9 (фиг. 2). Кольцевое уплотнение 4 на внутренней трубке 3 контактирует с полированной цилиндрической частью корпуса 1 и наружной поверхностью трубки 3. При сжатии кольцевое уплотнение 4 обеспечивает надежную герметизацию зазора между полированной цилиндрической частью корпуса 1 и наружной поверхностью трубки 3. Со стороны резьбового соединения 9 герметизация обеспечивается кольцевым уплотнением 4, расположенным на внешней поверхности изолирующего цилиндра 2, которое при сборке ловушки (вкручивании изолирующего цилиндра 2 в корпус 1 при помощи резьбового соединения 9) также сопрягается с полированной поверхностью внутри корпуса 1. Кольцевые уплотнения 4 могут быть выполнены из эластичных материалов, подбираемых в зависимости от состава газов, например, из силикона, различные типов резин и т.п.
Внутри изолирующего цилиндра 2 полость 15 выполнена цилиндрической для размещения трубки 3 с зазором, достаточным для свободного прохождения газа (0,5-1 мм). Трубка 3 может быть изготовлена из стекла либо нержавеющей стали. Внутренняя трубка 3 заполняется гранулированным сорбентом 8, который для предотвращения высыпания может быть закрыта с двух сторон слоями кварцевой либо стеклянной ваты 7 (фиг. 2). Трубка 3 удерживается в осевом положении за счет того, что ее конец на 5 мм входит в корпус, а далее ее выравнивает кольцевое уплотнение.
Сборку ловушки осуществляют следующим образом: на внутреннюю трубку 3 одевают прижимную шайбу 5 и кольцевое уплотнение 4. Затем внутреннюю трубку 3 вставляют в корпус 1 кольцевым уплотнением 4 вперед - в сторону выходного порта 12, а сверху на трубку устанавливают изолирующий цилиндр 2, который соединяют с корпусом 1 с помощью резьбового соединения 9. При этом прижим изолирующего цилиндра к корпусу 1 обеспечивается через шайбу 5 и уплотнительное кольцо 4, размещенное на внутренней трубке 3. После затягивания резьбового соединения 9 одна или несколько сквозных радиальных проточек (отверстий) 6, выполненных в теле изолирующего цилиндра, образуют каналы, сопряженные с каналом для входного потока газа 14, а среда в полости 15 становится полностью изолированной (герметизированной) от внешней среды за счет двух кольцевых уплотнений 4.
При работе адсорбционной ловушки газ поступает из внешнего источника через входной порт 11 и канал 14 в корпус 1, и далее через одну или несколько радиальных проточек 6, размещенных на торце изолирующего цилиндра 2 (на фиг. 1 показана в качестве примера одна проточка 6), газ поступает в кольцевой зазор между наружной поверхностью трубки 3 и внутренней поверхностью изолирующего цилиндра, проходит по всей длине трубки 3 с ее внешней стороны и поступает на вход трубки 3, расположенный со стороны «глухого» конца изолирующего цилиндра 2, взаимодействует с сорбентом 8, который поглощает из него примеси. Уже очищенный газ проходит через другой конец трубки 3 и поступает в выходной порт 12 корпуса 1 ловушки (фиг. 2).
В качестве сорбентов, удаляющих воду, могут быть использованы цеолиты типа NaA, NaX и другие, либо гранулированная щелочь. Для очистки от углеводородов могут применяться углеродные сорбенты. Для поглощения оксидов азота могут использоваться медьсодержащие сорбенты.
Для замены трубки 3 с сорбентом 8 или для замены сорбента 8 достаточно выкрутить из корпуса изолирующий цилиндр и извлечь трубку 3 с «отработанным» сорбентом и последующей ее заменой на новую.
Для апробации работы заявляемого устройства был изготовлен образец (фиг. 5), который имел габаритные размеры (мм), указанные на фиг. 4.
Устройство было установлено в анализатор хемосорбции между реактором и детектором и испытано в поглощении воды (фиг. 6). В качестве сорбента, поглощающего воду, был использован прокаленный цеолит NaA с размером гранул 0,25-0,50 мм. В реактор анализатора хемосорбции помещался оксид никеля, который восстанавливался водородсодержащим газом при повышенной температуре, при этом в процессе выделялась вода. Масс-спектрометрический детектор не зафиксировал наличие воды в потоке после адсорбционной ловушки, что свидетельствует о работоспособности данного устройства.