РЕАКТОР С РАДИАЛЬНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ
RADIAL-SPACE REACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в основном относится к области реакторных емкостей с радиальным потоком, используемых в способах очистки газа, сепарации и проведения химической реакции и имеющих внутренний корзинный узел для удерживания активного материала, используемого для удаления и/или конверсии одного или более компонентов в сырьевом потоке посредством адсорбции и/или каталитической или некаталитической реакции. Точнее говоря, данное изобретение относится к реактору с радиальным потоком, имеющим съемную секцию во внутренней корзине для обеспечения компактной загрузки одного или более слоев активных материалов между двумя структурными концентрическими корзинами.
Предпосылки создания изобретения
Запрос на более высокую производительность реактора продолжает возрастать для многих производственных процессов, связанных с добычей нефти и газа, производством альтернативного топлива, устойчивостью окружающей среды и технологическими выбросами. Такие запросы частично определяются все возрастающей стоимостью топлива и необходимостью в различном химическом исходном сырье. Одним примером этого является запрос на большие криогенные установки для разделения воздуха (air separation units, ASU), отвечающие потребностям роста качества кислорода и азота, используемых в различных промышленных видах обрабатывающей промышленности. ASU требуют наличия входных очистительных реакторов (адсорбционных емкостей) для очистки потока сырьевого воздуха путем удаления диоксида углерода, воды, остаточных углеводородов и других загрязнителей перед попаданием в ASU. Большие ASU, как известно, требуют наличия больших «блоков предварительной очистки» для обработки входящего сырьевого воздуха перед процессом криогенной дистилляции. Это представляет собой задачу для проектировщиков реакторов при попытке регулировать размер реактора, поскольку повышенный расход сырьевого воздуха требует пропорционального повышения поперечного сечения входного потока, обеспеченного емкостями, что приводит к созданию более крупных и более дорогостоящих емкостей.
Способы газоочистки, сепарации или проведения реакции с использованием активных материалов, таких как адсорбенты и/или катализаторы, хорошо известны из уровня техники, и в настоящее время для этих типов способов применяются различные конструкции реакторных емкостей. Примеры включают в себя как вертикально, так и горизонтально ориентированные цилиндрические емкости с потоками воздуха, выходящими вверх через пространство адсорбирующего материала или реагента и/или каталитического материала в ходе очистки, сепарации или химической реакции. Третий тип емкости, используемый в настоящей работе, ориентирован по вертикальной центральной или продольной оси и имеет внутреннюю конструкцию, которая направляет поток технологического газа радиально через пространство. Эта конструкция с радиальным потоком состоит из емкости высокого давления, окружающего газопроницаемые концентрические внутренние и внешние корзины, содержащие пространство из одного или более слоев активного материала. Такая конструкция радиального потока дает возможность повышать площадь поперечного сечения путем увеличения высоты емкости без существенного изменения опорной поверхности (требования к земельной площади). Кроме того, конструкция радиального потока делает более эффективным средство для повышения площади поперечного сечения по сравнению с горизонтальной или аксиальной конструкцией проточного реактора.
Реакторы с радиальным потоком обычно функционируют непрерывно или в циклическом режиме в зависимости от способа обработки газа. Многие способы, такие как способ адсорбции, функционируют циклически в режиме сдвига давления (PSA), сдвига вакуума (VSA), сдвига температуры (TSA) или при сочетании этих режимов, причем один или более компонентов сырьевого потока адсорбируется на этапе адсорбции, а затем десорбируется или иным образом высвобождается из адсорбента на этапе регенерации. Тепловые изменения, сопровождающие эти циклические процессы, например при режиме TSA, воздействуют на компоненты пространства и емкости. Внутренние компоненты в зависимости от их конфигурации, а также способа их соединения с емкостью расширяются и сжимаются, когда подвергаются изменениям температуры и, таким образом, претерпевают воздействие нагрузок, вызванных этими изменениями температуры. Такие термические нагрузки порождают значительные механические напряжения во всех элементах внутреннего корзинного узла, и величина таких напряжений, вызванных тепловыми нагрузками, возрастает с повышением перепада температур. Осевое и радиальное смещение стенок корзины также может привести к сжатию пространства активного материала, и частицы материала могут мигрировать или повреждаться в результате смещения стенки корзины и особенно при неплотной упаковке таких материалов. В худшем случае эти эффекты могут вызвать физическое разрушение активного материала и/или механическое повреждение корзинного узла.
Свободно текущий активный материал в виде частиц обычно загружают в пространство такими способами, как заливка, засыпка или «загрузка из дозирующего мешка», создавая неплотно и неоднородно упакованное пространство с избыточными пустотами между частицами. Пространства, загруженные с использованием этих способов, подвергаются уменьшению объема максимум на 10% или более за счет оседания частиц. Такое оседание становится возможным из-за избыточного объема пустот и оно обеспечивается путем сочетания циклирования потока и температуры, расширения и сжатия корзин и действия обычных сил гравитации. Является желательным ослабить эти эффекты путем максимизации плотности упаковки и в то же время путем минимизации объема избыточных пустот. Таким образом, является предпочтительным заполнение емкости таким образом, чтобы это привело к равномерной и плотной упаковке пространства активного материала (материалов), в котором возможность оседания минимизирована или даже устранена. Этот способ известен как способ «плотной загрузки» или «плотной упаковки», и здесь его также называют «плотной загрузкой» или «плотной упаковкой». Возможные преимущества плотной загрузки включают в себя повышенную мощность или производительность реактора, повышенный выход и/или качество продукта и исключение участков перегрева. Кроме того, автоматизированная плотная загрузка является более безопасной, поскольку она исключает наличие персонала внутри реактора при загрузке.
Кроме того, желательной является одновременная загрузка нескольких дискретных радиальных слоев различными активными материалами. Такие способы загрузки обычно известны для радиальных проточных емкостей, используемых для способов PSA, например см. Патент США № 5836362. В таких способах какие-либо значительные индуцированные тепловые нагрузки отсутствуют. Структура внутренней корзины таких емкостей из данного уровня техники спроектирована таким образом, чтобы внутренняя корзина не была прикреплена непосредственно к верхней насадке емкости. В результате облегчается описанный выше способ загрузки, в котором вращающийся загрузочный рукав или рукава могут простираться от центральной оси емкости (и корзин) к внутренней стенке внешней корзины. При заполнении формы пространства активным материалом (материалами) загрузочные рукава можно легко поворачивать на все 360 градусов кольцевидного пространства между корзинами. Такой способ загрузки нельзя легко применять для емкостей, сконструированных для тепловых циклических нагрузок, в которых внутренняя корзина прикреплена или иным способом соединена с верхней насадкой емкости, т.е. свободное вращение загрузочных рукавов вокруг центральной оси емкости предотвращается наличием непрерывно простирающейся внутренней корзины. Таким образом, первая проблема, к которой необходимо обратиться, состоит в желании плотно загружать активный материал в реактор с радиальным потоком, сконструированный для способа термоциклирования, в котором внутренняя корзина жестко и непрерывно прикреплена к верхней насадке емкости.
2
2
Реакторы с радиальными потоками обычно требуют наличия нескольких слоев активных материалов. Например, несколько слоев адсорбента используют в способах предварительной очистки воздуха, например оксид алюминия для первичного удаления HO и молекулярные сита для первичного удаления CO, для снижения энергопотребления путем снижения требуемой максимальной температуры регенерации и/или путем уменьшения количества регенерационного газа. Дополнительные слои адсорбентов, катализаторов или другого активного материала также могут потребоваться тогда, когда другие загрязнители должны быть удалены, например, загрязнители, для которых первичные активные материалы в пространстве не обладают никакой селективностью, вместимостью или реакционно-способностью.
Для вмещения нескольких слоев материалов можно использовать несколько корзин. При использовании более двух структурных корзин как изготовление емкости, так и загрузка активного материала (материалов) становится значительно более сложной и более дорогостоящей. Кроме того, жестко закрепленные внутренние корзины передают дополнительные напряжения пространства, содержащего активные материалы, из-за индуцированных термических нагрузок, воздействующих на эти внутренние корзины. Таким образом, вторая проблема, к которой следует обратиться, состоит в необходимости удалить дополнительные корзины, находящиеся между самой внутренней и самой внешней корзиной.
Таким образом, существует значительная мотивация к улучшению механической конструкции реакторов с радиальным потоком для достижения большей технической надежности, меньшей себестоимости и повышенной эксплуатационной гибкости при все еще существующих ограничениях на общую опорную поверхность реактивной емкости. Кроме того, настоящий реактор спроектирован для обеспечения простого и эффективного средства для решения структурных проблем, вызванных термическими эффектами от использования только внутренней и внешней структурной корзины, и обеспечением средства для плотной упаковки нескольких слоев адсорбента между этими корзинами.
Учения согласно уровню техники бывают различными и не соотносящимися с конструкцией реакторов с радиальным потоком, в частности для емкостей, претерпевающих тепловые циклические нагрузки. Конструкции стандартных цилиндрических реакторов обычно включают в себя внутренний комплект по меньшей мере из двух концентрических корзин с пористыми стенками, с активным материалом, содержащимся в кольцевом пространстве, образованном между этими корзинами. Корзины и оболочка емкости обычно имеют общую продольную ось. Когда в таких реакторах с радиальным потоком требуется несколько слоев активного материала, в соответствии с существующим уровнем техники используются дополнительные структурные пористые сепараторы, расположенные между слоями активного материала, т.е. используются три или более концентрические корзины. В настоящее время нет никаких теорий, предполагающих достижение плотной упаковки адсорбентов в реакторах с радиальным потоком, функционирующих в условиях термоциклирования, при наличии корзин, непрерывно прикрепленных к верху реактивной емкости. В патентах согласно уровню техники обычно описывается заливка или засыпка активного материала через дозирующий мешок или непосредственно через верхние загрузочные отверстия в емкости.
В Патенте США № 4541851 раскрыт первый вариант воплощения емкости, имеющий два концентрических слоя адсорбента, где каждый слой находится между двумя концентрическими цилиндрическими решетками. Три цилиндрические решетки являются концентрическими и расположены вокруг той же продольной оси, что и у емкости, окружающей их. Промежуточная решетка является аксиально жесткой и радиально гибкой, тогда как внутренняя и внешняя решетки являются аксиально гибкими и радиально жесткими. Все три решетки жестко соединены с оболочкой емкости на их верхних концах и жестко соединены с твердой плавающей нижней плитой на их нижнем конце.
Во втором варианте воплощения описана емкость, имеющая три концентрических слоя адсорбента и четыре проницаемые решетки. Внутренние и внешние решетки являются жесткими как в осевом, так и в радиальном направлении, а две промежуточные решетки являются жесткими в осевом направлении и гибкими в радиальном направлении. Все четыре решетки жестко соединены с оболочкой на своих нижних концах. В этой конфигурации можно использовать два или более слоев адсорбента. В обоих вариантах воплощения емкость имеет отверстия, используемые для заполнения и опорожнения пространств адсорбента. Дополнительные подробности, связанные с этой конструкцией, описаны в работе Grenier, M., J-Y Lehman, P. Petit, «Adsorption Purification for Air Separation Units», in Cryogenic Processes и Equipment, ed. By P.J. Kerney, et al. ASME, New York (1984) («Адсорбционная очистка для установок разделения воздуха», в криогенных процессах и оборудовании).
В Патенте США № 5827485 раскрыта емкость, содержащая кольцевую адсорбционную пространство, которая ограничена внутренней и внешней корзиной. Предполагается, что одиночный слой адсорбента содержится между двумя проницаемыми концентрическими корзинами, обе из которых являются гибкими в осевом направлении и жесткими в радиальном направлении. По меньшей мере одну из корзин жестко прикрепляют к верхнему концу емкости. Внутреннюю корзину на ее нижнем конце жестко соединяют с опорным элементом дна и дополнительно устанавливают таким образом, чтобы она опиралась на нижнюю полусферическую крышку оболочки посредством ребер, расположенных в виде звезды. Внешняя корзина опирается непосредственно на свой нижний конец нижней крышкой. Отверстия создают для надлежащей загрузки (и удаления) адсорбента, хотя там нет никакого обсуждения отверстий или заполнения. Дополнительные подробности также описаны в работе U. Von Gemmingen, «Designs of Adsorptive Dryers in Air Separation Plants», Reports on Science & Technology, 54:8-12 (1994) («Конструкции адсорбционных сушильных камер в воздухоразделительных установках»).
В Патенте США № 6086659 раскрыта адсорбционная емкость с радиальным потоком, которая имеет множество решеток, в которых по меньшей мере одна из решеток является гибкой как в осевом, так и в радиальном направлениях. Решетки жестко прикреплены как к верху емкости, так и к нижней опорной плите. Нижняя опорная плита может быть плавающей или полужестко или жестко прикрепленной к днищу емкости. Одна или более промежуточных решеток раскрыты в качестве средства, содержащего различные слои адсорбентов в емкости. Емкость имеет заливные отверстия для введения и удаления адсорбента, но никакого обсуждения способа заполнения не было обнаружено.
В Германском Патенте № DE-3939517-A1 раскрыта емкость с радиальным потоком, имеющим один слой адсорбента, содержащегося между двумя концентрическими проницаемыми решетками, обе из которых выглядят жесткими как в осевом, так и в радиальном направлении. Внешняя корзина жестко соединена с верхним концом емкости и с плавающей плитой основания. Внутренняя корзина гибко соединена с верхним концом емкости за счет использования сильфонного компенсатора или направляющей рамы. Нижний конец внутренней корзины жестко соединен с плавающей плитой основания. Весь корзинный узел, таким образом, свешивается с верхнего конца емкости с внешней корзиной, несущей на себе вес корзинного узла, и адсорбентом, содержащимся в ней. Отверстия используют для введения и удаления адсорбента.
В патентах согласно уровню техники исследовано много вариантов в рамках основной конфигурации конструкции, в которой внутренняя, внешняя и/или промежуточная корзины, обладающие различной гибкостью, прикреплены к верхней части, нижней части или обеим частям емкости. В исследованиях для многослойных пространств использована дополнительная промежуточная корзина для каждого дополнительного слоя материала или адсорбента. Эти промежуточные корзины являются структурными компонентами, которые претерпевают нагрузки и напряжения, индуцированные термоциклированием. Из-за присутствия этих дополнительных корзин осложнено не только проектирование конструкции и изготовление корзинного узла, но и становится сложной загрузка адсорбентов и доступ к компонентам и их поддержание в пределах каждого кольцевого пространства. Такие конструкции ограничивают загрузку адсорбентов засыпкой, заливкой или «загрузкой из дозирующего мешка» через отверстия наверху емкости, что приводит к неплотной упаковке материалов, подвергающихся перемещению и оседанию в ходе эксплуатации. Присутствие промежуточных корзин приводит к меньшим пространствам объема для загрузки активных материалов, что дополнительно увеличивает пустоты и снижает плотность упаковки при заливке или засыпке активных материалов в эти пространства. В результате, использование узких или лежащих на небольшой глубине слоев при опоре на способы загрузки с неплотной упаковкой ограничено. Таким образом, в области техники, относящейся к конструкции реактора с радиальным потоком, не существует четкого учения или направления, связанного с ослаблением или устранением этих проблем.
Настоящий реактор с радиальным потоком сконструирован таким образом, чтобы внутренняя корзина или корзинный узел, содержащий пространство активного материала, был жестко закреплен как на верхнем, так и на нижнем конце емкости. Стенки корзины являются аксиально гибкими и радиально жесткими для минимизации термически индуцированного движения и для регулирования напряжений и нагрузок, что, таким образом, ослабляет осевой и радиальный прогиб внешней и внутренней корзины. Съемный внутренний рукав вблизи верхней части внутренней корзины можно временно удалять для создания небольшой открытой секции в корзине. Такое отверстие обеспечивает использование вращающегося загрузочного рукава (рукавов) для плотной загрузки либо одного слоя, либо одновременно нескольких слоев активного материала. Съемный рукав затем возвращают обратно для нормальной эксплуатации реактора. Когда это является желательным для разделения соседних слоев активного материала для предотвращения малейшего перемешивания материалов в ходе загрузки, например когда желательными являются очень тонкие слои, такое разделение достигается с использованием гибкого, неструктурированного пористого материала, установленного на границе между слоями.
Настоящее изобретение не только обеспечивает равномерную плотную загрузку активных материалов в один или несколько слоев, но также устраняет необходимость в дополнительных структурных корзинах. Изобретенная конструкция реактора с радиальным пространством позволяет осуществлять плотную загрузку и является более надежной для эксплуатации и менее дорогостоящей для изготовления.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение представляет собой реактор с радиальным потоком, используемый в способах газоразделения и, в частности, для очистки воздуха путем адсорбции и/или каталитических или некаталитических реакций. Реактор имеет две концентрические пористые внутренние корзины, которые ограничивают активный материал, обычно свободно текущие твердые частицы в пределах корзин и в пределах цилиндрической оболочки. Корзины жестко закрепляют как на верхнем, так и на нижнем конце емкости, и является предпочтительным, чтобы они имели стенки, которые являются аксиально гибкими для минимизации термически индуцированных напряжений и нагрузок и радиально жесткими для содержания и удерживания активного материала. Реактор имеет съемный внутренний рукав, добавленный к верхней части внутренней корзины, который можно удалять для облегчения использования технологии плотной загрузки. Технологию плотной загрузки с использованием вращающегося загрузочного рукава или рукавов можно применять для загрузки одиночного слоя активного материала или одновременной загрузки нескольких слоев активных материалов между внутренней и внешней корзиной.
Согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения обеспечен реактор с радиальным пространством, содержащий:
(a) по существу цилиндрическую оболочку емкости, имеющую вертикальную продольную ось, верхнюю крышку и нижнюю крышку;
(b) нижнюю опорную плиту, расположенную внутри оболочки и соединенную с верхней крышкой;
(c) почти цилиндрическую пористую внешнюю корзину, расположенную концентрически внутри оболочки вдоль продольной оси и прикрепленную к верхней крышке и нижней опорной плите; и
(d) почти цилиндрическую пористую внутреннюю корзину, расположенную концентрически внутри пористой внешней корзины вдоль продольной оси и имеющую почти сплошную секцию, прикрепленную к верхней крышке емкости, почти пористую секцию, прикрепленную к нижней опорной плите, и съемную секцию, закрепленную между ними.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящего изобретения следует обратиться к следующему подробному описанию, приведенному в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 представляет собой поперечный разрез реактивной емкости с радиальным потоком согласно одному варианту воплощения этого изобретения;
фиг.2 представляет собой схему реактивной емкости с радиальным потоком по фиг.1, показывающую пути потока через реактор;
фиг.3 представляет собой иллюстрацию внутренних корзин и пространства в реактивной емкости, как показано на фиг.1;
фиг.4 представляет собой вырезанную часть из изображения стенки корзины, показанного на фиг.2;
фиг.5 представляет собой частичную иллюстрацию одной стенки корзины с ситом и пространством;
фиг.6 представляет собой поперечный разрез реактивной емкости с радиальным потоком согласно второму варианту воплощения этого изобретения, показывающий два слоя адсорбента;
фиг.7 представляет собой поперечный разрез реактивной емкости с радиальным потоком согласно одному варианту воплощения этого изобретения, с удаленными секциями внутреннего рукава и погрузочным устройством и загрузочными рукавами, установленными для осуществления плотной загрузки нескольких слоев; и
фиг.8a представляет собой поперечный разрез сбоку съемного внутреннего рукава внутренней корзины, а фиг.8b представляет собой вид сверху внутреннего рукава, показывающий три соединенные между собой секции внутреннего рукава.
Подробное описание изобретения
Фиг.1-8 иллюстрируют основную структуру одного варианта воплощения емкости высокого давления с радиальным потоком согласно данному изобретению и некоторых из его компонентов. Поперечное сечение фиг.1 иллюстрирует основные признаки данного варианта воплощения изобретения, но не показывает все детали крепления, трубопроводы и детали устройства или другие особенности изобретения, которые понятны и ясны для специалистов в данной области техники. Фиг.2 представляет собой схему емкости, показывающую в основном те же признаки, что и на фиг.1, и дополнительно - путь потока через емкость. Фигуры не отображают реальных размеров.
Обратимся к фиг.1, где показан по существу цилиндрический реактор (1) с радиальным потоком, с вертикальной продольной осью (20). Емкость имеет внешнюю оболочку (2) с верхней (3) и нижней (4) полусферической крышкой (или головками, как обычно известно в промышленности). Нижняя крышка (4) имеет впуск (6) для приема сырьевого газа, а верхняя крышка (3) имеет выпуск (5) для выпуска получаемого газа при нормальном режиме адсорбции/реакции. В способах предварительной очистки атмосферный воздух можно вводить через впуск (6), а обработанный или очищенный воздух может выходить из выпуска (5).
Внутри оболочки (2) находится пространство (8), содержащее активный материал, который ограничен двумя концентрическими цилиндрическими герметичными элементами, называемыми далее внутренней и внешней «корзинами» (9, 10). Внутренняя корзина (9) имеет две секции (9a и 9b), и внешняя корзина 10 имеет две секции (10a и 10b), как будет описано ниже. Расположение корзины можно лучше всего понять, рассматривая фиг.3, которая иллюстрирует пространственное расположение внутренней корзины (9), внешней корзины (10) и пространства (8). Термин «пространство», используемый в настоящем документе, описывается как пространство между корзинами (9, 10), которые содержат активный материал (материалы), и пространство с имеющимся активным материалом (материалами). Является предпочтительным использовать только две корзины, ориентированные концентрически вокруг одной первичной продольной оси (20) реакторной емкости (1), как показано, поскольку это упрощает проектирование конструкций корзин (9, 10) и позволяет осуществить легкий доступ ко всему кольцевому пространству пространства (8) между внутренней и внешней корзиной для загрузки и удаления активного материала. При эксплуатации технологический газ подают почти в радиальном направлении через пространство (8) относительно продольной оси симметрии реакторной емкости.
Обратимся теперь снова к фиг.1, где корзины (9, 10) жестко закреплены и закрыты на своих донных или нижних концах нижней опорной плиты (7), причем комбинированные компоненты (7, 9 и 10) образуют корзинный узел, содержащий пространство (8). Нижняя опорная плита (7) прикреплена к опорным стойкам (12). Опорные стойки (12) могут представлять собой одинарные структуры или могут быть разделены или состоят из нескольких элементов со средством для облегчения движения корзин (9, 10) вниз для обеспечения натяжения стенок корзин. Такие опорные стойки с разделяемыми элементами, а также способ создания предварительного напряжения, в котором используются такие стойки, описаны в сопутствующей патентной заявке, поданной одновременно с данной заявкой. В конструкции, показанной на фиг.1, использовано восемь опорных стоек (на поперечном разрезе показано пять), хотя можно использовать и меньше или больше опорных стоек. Предпочтительным является использование по меньшей мере трех опорных стоек.
Снаружи внутренней корзины (9) и внутри внешней корзины (10) отображены граничные стенки пространства (8). Стенки корзин (9, 10) являются перфорированными и проницаемыми на большей части своей длины (обычно по меньшей мере 50% длины корзины) для обеспечения течения потока через пространство активного материала и через весь реактор. Части длины корзины, которая является проницаемой, не следует путать с долей открытой поверхности проницаемых секций, например открытая поверхность перфорированных частей стенок может составлять больше или меньше 50%. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что эти проницаемые секции корзин (9, 10) могут быть ограничены выше и/или ниже сплошными непроницаемыми секциями в структурных целях (например, путем приваривания к верхней и нижней крышке) для определения начала и конца области радиального потока через пространство и для ослабления обходного потока вокруг концов пространства. Настоящее изобретение вводит в верхнюю часть внутренней корзины (9) съемные секции для обеспечения плотной загрузки активного материала (материалов).
Внутренняя корзина (9) состоит из по существу сплошной секции (9a) и по существу газопроницаемой секции (9b) с образованием общей структуры внутренней корзины. Сплошная секция (9a) внутренней корзины (9) прикреплена к верхней крышке (3) емкости (1) на своем верхнем конце и к газопроницаемой секции (9b) внутренней корзины (9) на своем нижнем конце, и между ними находится съемная секция (22). Как показано на фиг.6 и описано более подробно ниже, съемная секция (22) состоит из трех по существу жестких отдельных внутренних рукавов (22a, 22b, 22c), которые, будучи соединенными друг с другом, образуют цилиндр, предпочтительно перекрывая секции 9a выше и ниже съемной секции 22, облегчая соединение с ней. Тогда как съемная секция (22) показана здесь в виде трех отдельных и жестких элементов (22a, 22b, 22c), что является предпочтительным, можно использовать большее или меньшее количество элементов. Сплошная секция (22) внутренней корзины (9) является съемной, облегчая использование вращающихся загрузочных рукавов через пространство, образующееся при ее удалении. Верхняя крышка (3) имеет отверстия (14) и лаз (16), как показано на фиг.1, расположенный и рассредоточенный равномерно поверх кольцевого пространства (8), «увенчивая» пространство активного материала (материалов) сразу после удаления загрузочных рукавов и обеспечивая доступ для обслуживающего персонала. Множество отверстий или лазов можно использовать в любой подходящей конфигурации.
Внешняя корзина (10) состоит из по существу сплошной секции (10a) и по существу газопроницаемой секции (10b) с образованием общей структуры внешней корзины, как показано на фиг.1. Сплошная секция (10a) внешней корзины (10) прикреплена к верхней крышке (3) емкости (1) на своем верхнем конце и к газопроницаемой секции (10b) внешней корзины (10) на своем нижнем конце.
Вертикальные стенки корзин (9, 10) являются перфорированными на большей части своей длины, что делает их проницаемыми для газового потока и придает им такие структурные характеристики, что корзины приобретают осевую гибкость и радиальную жесткость для минимизации перемещений и для контроля напряжений и нагрузок, которые являются термически индуцированными в ходе эксплуатации. Является предпочтительным, чтобы проницаемые секции стенки корзины были изготовлены с использованием листов перфорированного металла, прокатанных и приваренных внутри цилиндров. Металл обычно представляет собой сталь или легированную сталь, выбранную исходя из требований физических свойств, возможности перфорирования, коррозионной стойкости, свариваемости и стоимости. Толщина материалов стенок корзин зависит от нескольких соображений, связанных со структурой, как должно быть понятно специалистам в данной области техники, и выбранный материал и его толщина не должны быть одинаковыми для внутренней и внешней корзины. Однако типичная толщина стенок корзины составляет 3-35 мм.
Обратимся теперь к фиг.8a и 8b, где внутренний рукав (22a) и два идентичных внутренних рукава (22b, 22c) содержат сплошную съемную секцию (22) сплошной секции внутренней корзины (9a) и сконструированы таким образом, чтобы они входили в центральный канал во внутренней корзине (9) между пористой секцией (9b) и верхней крышкой (3). Внутренние рукава (22a, 22b, 22c) являются искривленными, вследствие чего, будучи скрепленными вместе, они образуют однородный концентрический цилиндр, который может быть съемным образом прикреплен к секции (9a) с образованием нераздельной структурной части внутренней корзины (9). Каждый из внутренних рукавов (22a, 22b, 22c) имеет грузоподъемные скобы (необязательные) (23) и средства крепления, такие как болты для их соединения. Как показано на вырезанном поперечном сечении, представленном на фиг.8b, является предпочтительным, чтобы каждый внутренний рукав, в данном случае 22a, имел приподнятый край (24) на одном удаленном конце для перекрывания удаленного конца сопряженного элемента (22c) и для обеспечения плотного соединения с сопряженным элементом во избежание пустот или зазоров.
Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, можно использовать варианты этой проиллюстрированной конструкции. Например, притом что предпочтительным является наличие элементов их трех рукавов, можно использовать один или более элементов, таких как скользящий цельный элемент. Кроме того, можно использовать альтернативные средства соединения или конфигурации, совместимые с рукавами, а различные подъемные средства можно использовать для маневрирования рукавами. Более того, тогда как является предпочтительным иметь съемные элементы рукава, прикрепленные к внутренней поверхности сопряженных секций внутренней корзины и внутри центрального канала для простоты использования, съемные рукава могут быть съемным образом прикреплены к внешней поверхности сопряженных секций или могут составлять одно целое с внешней поверхностью внутренней корзины с подходящим средством соединения без отступления от концепции изобретения. Кроме того, должно быть понятно, что все сочленения между рукавами и между рукавами и секцией внутренней корзины (9a) должны быть уплотнены для предотвращения утечки газа между пространством и центральным каналом внутренней корзины с использованием таких способов герметизации и материалов, которые обычно известны из уровня техники, таких как, например, высокотемпературные прокладки, герметики и т.д.
Обратимся теперь снова к общей структуре корзины, и специалистам в данной области техники должно быть понятно, что притом что стенки корзины должны быть газопроницаемыми или пористыми (перфорированными) для обеспечения потока текучей среды, конкретный размер, форма и ориентация отверстий или перфораций должны повлиять на ориентированную гибкость стенок корзины. Хотя с использованием данного изобретения можно использовать различные перфорационные рисунки, установлена геометрия перфораций для одновременного обеспечения: (1) достаточной открытой зоны для равномерной проходимости потока с низким сопротивлением потоку газа, (2) достаточной осевой гибкости и радиальной жесткости для поддержания конструктивной целостности под влиянием термически индуцированных нагрузок и (3) поддержания стабильности внутренней корзины со съемными секциями, отсоединяемыми во время плотной загрузки емкости.
Например, и как лучше всего проиллюстрировано на фиг.2 и 4, известно, что конструкция с вытянутыми щелями (40), расположенными в шахматном порядке и ориентированными горизонтально или тангенциально относительно вертикальной (продольной) оси емкости, обеспечивает аксиальную гибкость (см. стрелку 42) и радиальную жесткость (см. стрелку 41). Радиальная жесткость достигается вследствие наличия повторяющихся непрерывных зон или перемычек из сплошного металла, которые простираются по окружности стенки корзины. С другой стороны, не существует никаких непрерывных полос или перемычек из сплошного металла, принадлежащих стенке корзины, в аксиальном (вертикальном) направлении из-за расположения горизонтально ориентированных щелей (40) в шахматном порядке. Такая конфигурация очень важна, когда внутренняя (9) и внешняя (10) корзины прикреплены как к верху, так и к низу емкости, как в настоящем изобретении. Таким образом, при более высоких температурах щели (40) сжимаются для поглощения осевого расширения, ослабляя часть осевого напряжения при сжатии, которое может возникнуть в противном случае. Однако эта осевая гибкость (определяемая эффективным модулем упругости) не должна быть такой большой, как для обеспечения прогиба стенки корзины, вызываемого осевыми напряжениями сжатия, называемого здесь также «осевым прогибом». Тогда как возможны самые различные геометрические формы перфораций, специалисты в данной области техники знают, что геометрия должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить достаточное проходное сечение, одновременно порождая эффективный модуль упругости материала корзины, что приводит к желаемой осевой гибкости и радиальной жесткости. В целях настоящего изобретения является предпочтительной обычная конфигурация прорезанных перфораций, показанная на фиг.4, но конкретные размеры и интервалы между щелями выбирают исходя из конкретного материала корзины и уровня желаемой структурной гибкости.
Путем структурного анализа было также обнаружено, что является предпочтительным, чтобы ребра жесткости (32) были добавлены и прикреплены к внутренней корзине (9) для ослабления прогиба, вызванного внешним давлением, прилагаемым активным материалом, здесь также называемым «радиальным прогибом». Ребра (32) жесткости обычно представляют собой опорные конструкции, изготовленные из металла или другого жесткого материала (предпочтительно с теми же характеристиками термического расширения, что и материал внутренней корзины), который помещают на внутреннюю стенку внутренней корзины (9) таким образом, чтобы каждое ребро жесткости лежало в горизонтальной плоскости и простиралось непрерывно вокруг окружности внутренней корзины (9). Ребра (32) жесткости разделены регулярными интервалами для повышения жесткости корзины, чтобы противодействовать силам радиального сжатия, возникающим из термоциклирования корзин и огороженного пространства. Дополнительная жесткость, обеспечиваемая ребрами, также служит для стабилизации и поддержания кругового сечения внутренней корзины при удалении внутреннего рукава (22).
Активный материал может дополнительно содержаться и/или быть разделенным в пространстве (8) с использованием металлических или других пористых и гибких материалов. Например, можно использовать сито для выстраивания в линию стенок из перфорированного металла корзин, когда перфорации или щели являются большими, чем размер частиц активного материала, так, как это проиллюстрировано на фиг.5. На фиг.5 показана предпочтительная конфигурация, в которой стенка внутренней корзины (9b) изготовлена из листа перфорированного металла в контакте с ситом (30) в контакте с пространством (8), содержащим активный материал (17). Хотя это и не показано, противоположная сторона пространства (8) может находиться в контакте с внутренней стенкой внешней корзины (10), между которыми также может находиться сито. Аналогичные сита также можно использовать для разделения различных активных материалов на два или более слоя в пространстве (8), если это желательно. Сита являются гибкими, и они не предназначены для поддерживания значительных осевых нагрузок и могут быть изготовлены из тканых или нетканых металлических или неметаллических материалов, таких как проволочные сита, тканевая сетка, расширенная металлическая сетка, пенопласт с открытыми порами, полимерные материалы и т.п.
В зависимости от типа и способа газообработки может возникнуть необходимость в регенерации активного твердого материала при регулярных интервалах повторяющимся циклическим способом. В ходе этого процесса регенерационный газ вводят в емкость, и он течет радиально через пространство активного материала перед его выпуском. Путь потока регенерационного газа обычно является обратным относительно пути сырьевого потока. Для реактивных емкостей согласно настоящему изобретению газы всегда текут радиально через активный материал независимо от того, где сырьевые и регенерационные газы попадают в емкость.
Обращаясь снова к фиг.2, видно, что сырьевой газ попадает в нижнюю часть реактора (1) через вход (6) и направляется во внешний канал, образованный между оболочкой (2) и внешней стенкой внешней корзины (10). Затем сырьевой газ течет радиально через секцию с проницаемой стенкой внешней корзины (10), через пространство (8) и активный материал и выходит через секцию с проницаемой стенкой внутренней корзины (9) в центральный канал, совмещенный с вертикальной осью реакторной емкости (1). Получаемый газ (или очищенный газ) покидает реактивную емкость (1) через выход (5) емкости (1), как показано. Реактивная емкость (1) может быть сконструирована таким образом, чтобы сырьевой газ попадал в нее либо у дна через впуск (6), либо сверху через выпуск (5) емкости таким образом, чтобы радиальный поток технологического газа через пространство (8) мог быть направлен соответственно либо вовнутрь, либо наружу. При циклических процессах сырьевой и регенерационный потоки обычно направлены навстречу друг другу, например, если сырьевой поток направлен радиально вовнутрь, то регенерационный поток может быть направлен радиально наружу.
При использовании реакторов с радиальным потоком, как в настоящем изобретении, в сочетании с этапом регенерации путем термических колебаний или с использованием других способов термоциклирования для очистки или реактивации каталитически активного материала внутренние корзины соответственно сжимаются и расширяются с понижением и повышением температуры процесса обработки газа, как и было описано. Такие термические расширения и сжатия корзин возникают как в радиальном, так и в осевом направлении относительно продольной оси реактивной емкости, вызывая напряжения в корзинах и во всех внутренних компонентах и средствах зажима. В настоящем изобретении корзины ограничены вверху и внизу емкости. При такой ограниченной подпорке в пористых стенках корзины в ответ на циклические изменения температуры будут развиваться значительные внутренние напряжения.
Наибольшее преимущество от закрепления внутреннего корзинного узла на обоих концах емкости состоит в том, что осевое движение корзин в ходе термоциклирования в основном предотвращается. Когда корзины закреплены только на одном конце, незакрепленный конец будет сильно перемещаться во время каждого термического цикла. Такое движение усиливает относительное перемещение активного материала, что приводит к его разрушению (истиранию) и перемешиванию различных материалов на границе двух слоев. Внутренняя корзина начинает временно опираться на нижнем конце на нижнюю опорную плиту и опорные стойки, как только удаляют внутренний рукав (22) для загрузки активного материала в емкость. После загрузки рукав заменяют, а внутренняя корзина вновь жестко опирается на оба конца емкости.
Присутствие активного материала генерирует дополнительные радиальные силы, воздействующие на стенки корзины из-за термического расширения и сжатия. Пространство, состоящее из твердых частиц, сжимается при радиальном расширении внутренней корзины и при сжатии внешней корзины. Это пространство частиц активного материала действует как сопротивление такому сжатию и давит назад на стенки корзины. Материалы корзины следует выбирать таким образом, чтобы они обладали низким коэффициентом термического расширения. Тем не менее при повышении температуры нельзя избежать радиального расширения корзин.
Несмотря на структурное проектирование, которое минимизирует термическое расширение и сжатие и связанные с ними индуцированные нагрузки и напряжения на корзинном узле и его компонентах, относительное перемещение частиц активного материала должно быть сведено к минимуму, и это лучше всего достигается путем плотного упаковывания активного материала при загрузке первого в емкость. Плотное упаковывание, в целях настоящей работы, относится к размеренному и контролируемому распределению частиц активного материала (материалов), когда частицам позволяют достигнуть достаточной скорости таким образом, чтобы отдельные частицы вдавливались в верхнюю поверхность пространства при соударении с ним, вследствие чего достигается равномерная упаковка частиц по всему пространству с минимальным пустым пространством между частицами. Плотная упаковка достигается путем регулирования таких параметров загрузки материала, как скорость потока и распределение частиц, минимальное расстояние между загрузочным распределительным устройством и верхней поверхностью пространства и скорость вращения распределительного загрузочного рукава (рукавов). Такие способы плотной загрузки отличаются от типичных способов «неплотной упаковки», в которых активный материал загружают насыпью через отверстие или дозирующий мешок и размазывают за счет его растекания по поверхности пространства. Такое неплотное упаковывание характеризуется более низкой плотностью упаковки (максимум 10% и ниже) и более высокой долей пустот по сравнению со способами плотной загрузки, упомянутыми в настоящем изобретении.
Способы плотной загрузки, принятые в настоящем изобретении, были в основном описаны в Патенте США № 5836362 для емкостей с радиальным потоком, используемых для способов адсорбции со сдвигом давления (pressure swing adsorption, PSA), где термические эффекты отсутствуют или минимальны. В таких способах нет значительных термически индуцированных нагрузок. Корзины с такой внутренней корзиной, как в емкостях согласно уровню техники, спроектированы таким образом, чтобы внутренняя корзина не была непосредственным образом прикреплена к верхней головке емкости. Загрузке активного материала не препятствует наличие сплошной внутренней стенки корзины, простирающейся до верхней головки емкости, и скорее вращающийся загрузочный рукав или рукава могут простираться от центральной оси емкости (и корзин) до внутренней стенки внешней корзины без изменений для структурного проектирования емкости. Загрузочные рукава легко могут непрерывно охватывать все 360 градусов окружности пространства между корзинами при загрузке активного материала (активных материалов). Такой способ загрузки невозможно легко применять для емкостей, сконструированных для термоциклирования, и с наличием внутренней корзины, соединенной с верхней головкой емкости. В таком случае свободное вращение загрузочных рукавов вокруг центральной оси емкости может быть предотвращено присутствием непрерывной концентрической внутренней корзины и наличием жесткого соединения с верхней крышкой (3).
Также часто существует необходимость в использовании различных активных материалов, где каждый активный материал является селективным для одного или более конкретных загрязнителей, которые необходимо удалить из сырьевого газа или заставить прореагировать для получения желаемого продукта с приемлемой чистотой. В реакторе с радиальным потоком различные активные материалы могут быть в основном диспергированы в концентрических радиальных слоях, как проиллюстрировано на фиг.6, где слои (8c, 8d) образуют пространство. Каждый слой содержит свой активный материал или смеси активных материалов, требуемых для достижения желаемой сепарации или получения желаемой реакции. Как обсуждалось выше, способ согласно уровню техники, удовлетворяющий этому требованию для нескольких слоев в реакторах с радиальным потоком, использовался для дополнительных структурных корзин таким образом, чтобы слой каждого материала содержался между двумя смежными концентрическими корзинами. Настоящее изобретение устраняет необходимость в использовании дополнительных структурных корзин за счет использования съемной секции (22), содержащей элементы рукава (22a, 22b, 23c) внутренней корзины (9) и, следовательно, позволяющей использовать вращательный способ плотной загрузки, описанный выше и изображенный на фиг.7.
Фиг.7 показывает загрузочное устройство и другие загрузочные компоненты наверху емкости с удаленной съемной секцией (22). Загрузочные бункеры (84, 86) содержат загрузочные устройства (80) для подачи активных материалов (88c, 88d), которые, в свою очередь, направляют поток каждого материала в отдельные каналы, расположенные в каждом из загрузочных рукавов (82). Загрузочное устройство (80) и загрузочные рукава (82) и другие компоненты удаляют после завершения плотной загрузки активных материалов и замены съемной секции (22). Все элементы рукава (22a, 22b, 22c) съемной секции (22) подсоединяют повторно и герметизируют высокотемпературным герметиком во избежание какого-либо газообмена через внутреннюю корзину в сплошных (непористых) секциях корзины.
Использование способа плотной загрузки способствует непрерывному, равномерному и симметричному рассеиванию активных материалов различных типов или размеров по радиальным слоям с помощью физического сепаратора или без помощи такового. Является предпочтительным загружать такие слои без какого-либо физического сепаратора. Для относительно тонких радиальных слоев и/или когда небольшое смешивание материалов на границе слоев или отсутствие такового является терпимым, неструктурная граница между материалами 8c и 8d может быть обеспечена в форме пористого гибкого сита. Такое сито обладает ничтожно малой способностью выдерживать прилагаемые радиальные или осевые нагрузки и служит лишь в качестве физической границы на границе между слоями. Приемлемые материалы для пористого сепаратора могут представлять собой материалы тканого или нетканого типа, например ткань, гибкую проволочную сетку, полимерный материал, сетку из тянутого металла, пенопласт с открытыми порами и т.д. Такие неструктурированные материалы необходимо выбирать таким образом, чтобы они обладали низким сопротивлению к потоку и достаточной стойкостью к теплу, генерируемому в ходе процесса.
Когда необходимо использовать физический сепаратор, его создают в виде цилиндра и помещают на границе между двумя смежными слоями активных материалов. Для свободно опирающихся материалов, таких как проволока или сетки из тянутого металла, сформированный цилиндр просто прикрепляют к нижней опорной плите. Этот цилиндр (не показан) простирается вверх до ближайшей верхней поверхности емкости, заканчиваясь ниже плоскости, охватываемой вращающимися загрузочными рукавами. Для тканевых или других не свободно опирающихся сетей сепаратор, имеющий цилиндрическую форму (также не показан), прикрепляют к нижней опорной плите и протягивают или жестко натягивают, прикрепляя к серии подпорок, расставленных равномерно и под углом и соединяющих между собой внутреннюю и внешнюю корзину вблизи верхней поверхности емкости, но ниже плоскости, охватываемой вращающимися загрузочными рукавами. Гибкая сеть имеет преимущество, состоящее в том, что ее можно опустить или удалить для обеспечения доступа к ситам для их технического обслуживания, если потребуется.
Корзинный узел сконструирован с секциями со сплошными стенками корзины (9a, 10a), соединенными с секциями, проницаемыми для потока (9b, 10b), принадлежащими соответственно внутренней и внешней корзине, как показано на фиг.1. Эти сплошные секции служат для нескольких целей, например, для обеспечения достаточного натяжения стенок корзины, чтобы они достигали и жестко соединялись с верхней крышкой (3) в виде завершения проницаемых секций стенок корзины для ограничения радиального потока через пространство к области, ограниченной оболочкой (2) емкости, расположенной между верхней (3) и нижней (4) крышками, и для обеспечения некоего объема выше проницаемых стенок корзины для осуществления загрузки дополнительного активного или инертного материала для предотвращения возникновения потока, обходящего пространство (8). Фиг.7 показывает пространство (8), загруженное до верхнего конца секций корзин (9b, 10b), проницаемых для потока. Является предпочтительным продолжать осуществлять плотную загрузку активного материала в объем, ограниченный сплошными стенками (9a, 10a) корзины, и между верхом проницаемой части пространства (8), показанным стрелкой (90), и кончиком загрузочного рукава (82), показанным стрелкой (92). Если этот объем не заполнен и остается пустым, как показано на фиг.7, то для потока становится доступным путь низкого сопротивления для обтекания активного материала наверху пространства, т.е. это позволяет части сырьевого потока попадать в поток продукта будучи относительно необработанным.
После осуществления плотной загрузки загрузочные рукава (82), сливную трубу (81), загрузочное устройство (80) и подающие бункеры (84, 86) удаляют, а каждый элемент рукава (22a, 22b, 22c) съемной секции (22) восстанавливают. В зависимости от расстояния между верхом проницаемой части пространства (90) и кончиком загрузочного рукава (92) может быть желательным пополнение вручную слоев активного материала дополнительными активными или инертными материалами через наполнительные отверстия (14) и/или лаз (16), показанный на фиг.6, для дополнительного повышения сопротивления обтеканию и/или заполнению пустого пространства между плотно упакованным пространством и верхней крышкой (3). Один пример такой загрузки упомянутых выше проницаемых секций корзин показан на фиг.6. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что еще больше активного материала можно добавить к остальному, частично или полностью заполненному пустому пространству вплоть до верхней крышки (3). Поскольку активный материал (материалы) по существу подвергается плотному упаковыванию, эти материалы не будут в существенной мере оседать в проницаемых областях корзин. Это устраняет необходимость в отключении установки после начала работы в циклическом режиме, открытии реактора и добавлении дополнительного количества активных материалов (пополнения), что обычно бывает в реакторах, где активные материалы не были плотно упакованы.
Тогда как данное изобретение особо пригодно для реакторов с радиальным потоком, имеющих только внутреннюю и внешнюю корзину, и при этом корзины жестко прикреплены к верху и к низу емкости, оно также применимо и для любого реактора с радиальным потоком, содержащего одну или более внутренних или промежуточных корзин (т.е. расположенных внутри самой внешней корзины), физически прикрепленных к верху емкости.
Изобретение не ограничено никаким конкретным способом и его можно применять для реакторов с радиальным потоком, содержащих активные материалы и сконструированных для использования в способах циклической и нециклической обработки газа, имеющих характер химической реакции, адсорбции или сепарации. Примерами таких способов являются длительные, проводимые при комнатной или повышенной температуре каталитические реакции или процессы очистки, циклическая адсорбционная сепарация, такая как адсорбция со сдвигом давления (pressure swing adsorption, PSA), адсорбция со сдвигом температуры (temperature swing adsorption, TSA) или их сочетания. Тогда как настоящее изобретение применимо для одиночных и двойных слоев активных материалов, можно загружать три или более слоев с использованием конструкции и способов, описанных в настоящей работе. Слои могут состоять из адсорбентов, катализаторов, реакционно-способных или инертных материалов или композитов, смесей или других их сочетаний. Слой инертного материала с высокой плотностью, например, керамических гранул можно устанавливать на любой стороне корзинного узла или в промежутке, причем такой слой может функционировать как термический регенератор.
Сплошной активный материал может представлять собой адсорбент, катализатор или реагент, состоящий из свободно текущих твердых частиц в форме сфер (шариков), цилиндров (таблеток), нерегулярных гранул и т.д. Активный материал выбирают для конкретного используемого способа, и известен широкий диапазон таких материалов.
2
Для способов очистки или разделения воздуха используют адсорбирующий материал, и он обычно представляет собой материал молекулярного сита типа цеолита, что является известным и промышленно применимым. Адсорбирующий материал, используемый в пределах пространства адсорбента, может быть составленным из одиночного слоя или представлять собой конфигурацию из двух или более слоев, где первый слой (такой, как активированный оксид алюминия), находящийся ближе всего ко входу для сырья, удаляет воду из сырьевого газа, а второй слой (такой, как молекулярное сито на основе цеолита) адсорбирует выбранный газообразный компонент, такой как диоксид углерода, при очистке воздуха, или азот, при разделении воздуха, причем можно использовать и третий слой, адсорбирующий или взаимодействующий с одним или более остаточных загрязнителей (таких, как CO или NO), и так далее. Является предпочтительным, чтобы адсорбент или активный материал был плотно упакован для минимизации оседания адсорбента и перемещения других частиц, а также для достижения максимальных КПД способов.
Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что объект изобретения не ограничен примерами, представленными в настоящей работе, которые были обеспечены лишь для демонстрации работоспособности настоящего изобретения. Объем данного изобретения включает в себя эквивалентные варианты воплощения, модификации и разновидности, которые попадают в объем прилагаемой формулы изобретения.