Адсорбер высокого давления
HIGH PRESSURE ADSORBER

Изобретение относится к области очистки газов путем сорбции и может найти применение в нефтеперерабатывающей, газовой, химической и других отраслях промышленности для промышленной адсорбции газов.
Адсорберы широко известны, активно используются и предназначены для поглощения поверхностным слоем твердого тела (сорбентом) растворенных или газообразных веществ. Адсорберы высокого давления могут найти применение на газораспределительных станциях (ГРС) для осушки (очистки) природного газа, подаваемого по магистральному газопроводу на ГРС. Такие адсорберы устанавливаются после компрессора и рассчитываются на максимальное давление нагнетания компрессора. Главными преимуществами таких адсорберов, по сравнению с адсорберами низкого давления, являются меньшие габариты и более глубокая осушка (очистка) природного газа при одном и том же массовом расходе.
Основная сложность в работе адсорберов высокого давления заключается в обеспечении равномерного поля скоростей газового потока в их поперечном сечении на входе в насыпной рабочий слой сорбента при подаче перерабатываемого газа через центрально расположенный верхний штуцер. Поскольку площадь сечения верхнего штуцера в десятки и сотни раз меньше площади поперечного сечения корпуса адсорбера, то в результате резкого расширения потока газа, входящего через верхний штуцер, в пространстве над насыпным слоем создается неравномерность, при которой поток газа заполняет только часть поперечного сечения адсорбера, в то время как в остальной части сечения поступательное движение газа отсутствует. Это приводит к снижению эффективности очистки или осушения газа, уменьшению времени работы адсорбера до перезагрузки сорбента.
С целью повышения эффективности очистки (осушки) газа, для обеспечения равномерного поля скоростей газового потока в поперечном сечении адсорберов высокого давления широко применяют различные распределительные устройства, размещаемые на выходе потока газа из верхнего штуцера адсорбера.
Так, известны распределительные устройства, используемые в адсорбере, приведенные в статье «Распределительное устройство для вертикальных аппаратов с центральным верхним вводом потока», авторы: Е.А. Бессонный, П.Д. Машковцев, А.В. Михайлов, В.М. Сидоров, журнал «Химическая техника» №2, 2015 г, https://chemtech.ru/raspredelitelnoe-ustrojstvo-dlja-vertikalnyh-apparatov-s-centralnym-verhnim-vvodom-potoka/. В известной статье проведен анализ широкого спектра распределительных устройств, влияющих на эффективность распределения потока газа в вертикально расположенных адсорберах. Дано описание наиболее простых известных распределительных устройств, включающих известный плоский диск-экран, установленный на некотором расстоянии от нижнего обреза верхнего штуцера. При этом известный диск-экран крепится к штуцеру либо с помощью специального каркаса, либо с помощью ребер, приваренных к расширительному патрубку штуцера или непосредственно к верхнему днищу известного адсорбера. Основным недостатком известного распределительного устройства (с помощью известного плоского диска-экрана в условиях движения с достаточно высокой скоростью плоской струи в радиальном направлении над рабочим слоем) является невозможность достижения эффективного выравнивания газового потока в поперечном сечении адсорбера на входе в насыпной слой.
Помимо известного плоского диска-экрана для выравнивания потока газа в рабочей зоне адсорбера перед адсорбционным слоем в известной статье показано использование распределительных устройств диффузорного типа, устанавливаемых на верхнем штуцере для центрального ввода потока газа в адсорбер. Использование в адсорбере известного распределительного устройства диффузорного типа улучшает равномерность распределения потока газа в поперечном сечении адсорбера за счет предварительного расширения потока в диффузоре, более плавного выхода и дальнейшего расширения его в надслойном пространстве. Однако применение известного диффузора в качестве распределительного устройства не может обеспечить достаточно равномерное распределение потока газа в поперечном сечении адсорбера, так как при повороте и расширении потока газа в пространстве над рабочим слоем возникает возмущение потока, приводящее к образованию разности скоростей потока в различных точках поперечного сечения и появлению обратных токов газа в зонах с пониженным статическим давлением.
Также известен адсорбер, конструктивное исполнение которого защищено патентом РФ №164140 «Адсорбер», МПК B01D 53/00, опубл. 20.08.2016. Известный адсорбер содержит наполненный гранулированным адсорбентом корпус с верхним основанием и днищем, входной патрубок и выходной патрубок. Корпус известного адсорбера выполнен в виде полого цилиндра, а верхнее основание выполнено в виде крышки и может быть присоединено к корпусу путем разъемного крепления, например, путем использования шпильки с гайкой. Внутри входного и выходного патрубков известного адсорбера, поперек потока воздуха размещены фильтрующие элементы, а входной и выходной патрубки могут быть выполнены в виде полого цилиндра или в виде цилиндрообразного 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 для более равномерного распределения потока газа внутри известного адсорбера. Торцевые фланцы присоединены к корпусу известного адсорбера с помощью закладного кольца, которое размещено в пазе каждого торцевого фланца между соответствующим торцевым фланцем и корпусом и обеспечивает их соединение без зазора. Однако, присутствие неравномерности поля скоростей газа через сечение в известном адсорбере и наличие застойных зон в районе входных и выходных его патрубков, значительно снижает эффективность и надежность работы известного адсорбера. Также, наличие фланцевого соединения вкупе с закладными кольцами в известном адсорбере и необходимость динамометрической затяжки шпилек с гайками обуславливает сложность монтажных работ при сборке известного адсорбера, сложность перезагрузки его сорбента.
Задача изобретения - повышение эффективности и надежности работы адсорбера, улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение его изготовления.
Техническим результатом изобретения является разработка эффективной, простой и надежной конструкции адсорбера, с хорошими эксплуатационными характеристиками, простой в изготовлении и обслуживании, с малыми массогабаритными показателями.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что адсорбер содержит наполненную гранулированным сорбентом цилиндрическую обечайку с внутренней резьбой на внутренней стенке в торцевых областях, с верхней и нижней крышками. Верхняя и нижняя крышки фиксируются на торцах обечайки кольцевыми гайками, установленными на внутренней резьбе обечайки. Подводящие и отводящие штуцеры, служащие для обвязки адсорбера трубопроводами, расположены во внутренней полости кольцевых гаек. В обечайке установлены верхний и нижний основные дисковые рассекатели, которые посредством кольцевых гаек поджимаются крышками к ступенчатым упорам, выполненным на внутренней стенке обечайки в ее торцевых областях. На торцах крышек, находящихся внутри цилиндрической обечайки, выполнены открытые ступенчатые проточки. Открытые канавки, в которые установлены уплотнения между обечайкой и крышками, образованы за счет упора торцов крышек с открытыми ступенчатыми проточками в основные рассекатели. Для организации входа и выхода потока газа адсорбер снабжен диффузорами, состоящими из двух частей: начальная часть диффузора выполнена в крышке, завершающая часть диффузора выполнена в основном дисковом рассекателе. Внутри каждой крышки в начальной части диффузора, соосно с ним, установлены посредством резьбового соединения дополнительные дисковые рассекатели. Дополнительный дисковый рассекатель, дополнительно выполняющий функцию защитного экрана, выполнен с полнотелой центральной частью и с расположенными в несколько рядов на периферии сквозными отверстиями. Оси отверстий дополнительного дискового рассекателя в каждом ряду увеличивают угол наклона по мере удаления от центральной оси дополнительного дискового рассекателя и в последнем ряду параллельны локальному профилю диффузора.
Представленное конструктивное исполнение адсорбера с кольцевыми гайками, фиксирующими верхнюю и нижнюю крышки в цилиндрической обечайке, с расположенными в их внутренней полости подводящими и отводящими штуцерами, обеспечивает возможность в значительно меньшем осевом габарите одновременно организовать крепление крышек к обечайке, разместить диффузор, основные дисковые рассекатели, что позволяет исключить появление застойных зон в районе входных и выходных патрубков адсорбера, обеспечить равномерность поля скоростей газового потока в поперечном сечении адсорбера, значительно повысив тем самым эффективность и надежность его работы. Эффективность работы адсорбера в плане обеспечения абсолютно однородного поля скоростей течения газа через сорбент при полном отсутствии застойных зон повышается также за счет использования диффузора, установки и конструктивного исполнения дополнительных дисковых рассекателей с полнотелой центральной частью, исполняющей роль экрана, и с расположенными в несколько рядов на периферии сквозными отверстиями, оси которых в каждом ряду увеличивают угол наклона и в последнем ряду параллельны локальному профилю диффузора. Применение в конструкции адсорбера кольцевой гайки существенно упрощает его изготовление, сокращая численность персонала при сборке адсорбера.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемые чертежи. На фиг. 1 показан общий вид в разрезе вертикально расположенного адсорбера, на фиг. 2 показано расположение и исполнение крышки и основного рассекателя адсорбера, на фиг. 3 показана образованная открытая канавка с установленным в ней уплотнением, на фиг. 4 показан общий вид дополнительного дискового рассекателя, на фиг. 5 визуально представлены результаты аэродинамического расчета траекторий прохождения газа, подаваемого на подводящий штуцер.
На чертежах:
1 - цилиндрическая обечайка;
2 - крышка;
3 - кольцевая гайка;
4 - основной дисковый рассекатель;
5 - дополнительный дисковый рассекатель;
6 - уплотнение;
7 - часть диффузора, выполненная в крышке;
8 - часть диффузора, выполненная в основном дисковом рассекателе;
9 - подводящие и отводящие штуцеры.
Все детали емкости адсорбера для минимизации механической обработки и обеспечения качества металла выполнены из проката: листов и горячедеформированной трубы.
Емкость адсорбера (фиг. 1) формируется цилиндрической обечайкой 1 и верхними и нижними крышками 2. Обечайка 2 выполнена со ступенчатыми упорами на внутренней стенке и с резьбой на внутренней стенке в торцевых областях. В обечайке 1 установлены верхний и нижний основные дисковые рассекатели 4. На резьбу в обечайке 1 навинчиваются кольцевые гайки 3, прижимая, фиксируя и упирая в ступенчатые упоры крышками 2 рассекатели 4. Это позволяет установить основные рассекатели 4, занимая всю плоскость внутреннего сечения обечайки 1. Крышки 2 снабжены подводящими и отводящими штуцерами 9, размещенными во внутренней полости кольцевых гаек 3 и служащими для обвязки адсорбера трубопроводами. Поскольку подводящий штуцер 9 адсорбера высокого давления (25 МПа и выше) может иметь площадь сечения более чем в 500 раз меньше площади поперечного сечения адсорбера, для расширения потока газа на выходе из штуцера 9 применяется диффузор. Крышка 2 вследствие изготовления из листового проката может иметь ограниченную толщину, поэтому диффузор формируется из двух частей (фиг. 2). Начальная часть 7 диффузора выполняется в крышке, а завершающая часть 8 диффузора выполняется в рассекателе 4. Крышка 2 изготавливается из листового проката ограниченной толщины, поэтому завершающая часть 8 диффузора формируется проточкой, выполненной в рассекателе 4, что придает последнему дополнительную жесткость. Форма диффузора в крышке 2 подобрана таким образам, чтобы, помимо организации потока газа в адсорбере обеспечивалась необходимая прочность крышки 2. Самоуплотняющееся уплотнение 6 (фиг. 3) устанавливается в канавку открытого типа, образованную за счет упора крышки 2 в основной дисковый рассекатель 4. Для этого крышки 2 выполнены с проточками под уплотнения на торцах. Канавка открытого типа не имеет одной стенки, чтобы устанавливать уплотнение без растягивания и деформации. Такой способ установки уплотнений не требует дополнительной технологической оснастки и на сегодняшний день наиболее прогрессивен и надежен. Дополнительные дисковые рассекатели 5 посредством резьбового соединения установлены непосредственно в крышке 2 в средней части образованного диффузора. В дополнительном рассекателе 5 (фиг. 4) выполнены сквозные отверстия, расположенные в несколько рядов на периферии. Угол наклона осей отверстий в дополнительном рассекателе 5 увеличивается по мере приближения к периферии и в последнем ряду совпадает с локальным профилем диффузора. Основные рассекатели 4 препятствуют выносу сорбента из емкости адсорбера при прохождении газа через адсорбер и его реверсе для регенерации сорбента. При необходимости, с целью повышения эффективности работы, на основном рассекателе 4 может быть установлена дополнительная сетка. Одновременно, основными рассекателями 4 и дополнительными рассекателями 5 обеспечивается однородное поле скоростей течения газа через сорбент. В центральной части дополнительного рассекателя 5 отверстия отсутствуют, она выполнена полнотелой, с целью экранировать и разбивать высокоскоростную струю газа на выходе из подводящего штуцера 9 для защиты сорбента от интенсивного динамического воздействия. На фиг. 5 представлены результаты аэродинамического расчета. Струя газа на выходе из штуцера 9 ударяется в центральную экранирующую часть дополнительного рассекателя 5 и разворачивается, образуя вихрь. Частично утративший скорость газ, проходя дополнительный рассекатель 5, растекается по диффузору, чему значительно способствуют отверстия в дополнительном рассекателе 5, выполненные с наклоном. В пространстве между дополнительным рассекателем 5 и основным рассекателем 4 повторно формируются два вихря, способствующие распределению газа. После основного рассекателя 4 на входе в слой сорбента поле скоростей газа выравнивается по всему поперечному сечению адсорбера и становится однородным.
Адсорбер высокого давления работает следующим образом.
В зависимости от вредных компонентов газа, подлежащих удалению, адсорбер снаряжается соответствующим сорбентом. Через штуцер 9 газ подается под давлением 25 МПа. При прохождении газа через адсорбер загрязняющие компоненты газа поглощаются сорбентом. Однородное поле скоростей газа по всему сечению адсорбера на входе в слой сорбента и отсутствие застойных зон обеспечивают равномерную работу сорбента по всему его объему и, как следствие, максимально возможные степень очистки газа и время работы до необходимости регенерации сорбента. Очищенный газ через штуцер 9 далее поступает в технологический контур.
3
В настоящее время спроектирован адсорбер на V=250 литров, PN=25 МПа и расход 3000 нм/час, завершается изготовление опытного образца, идет подготовка к промышленным испытаниям.