АДСОРБЕР
ADSORBER

Изобретение относится к технике очистки адсорбентами, а именно к газоочистному оборудованию, и может найти применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности для очистки газовых смесей.
Известен адсорбер (см. а.с. №1662642, МКИ B01D 53/04, бюл. №26, 1991), включающий вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образованием чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки и патрубки подвода и отвода газа.
Недостатком является неравномерность распределения газа по поверхности начального контакта очищаемого газа и адсорбента, а так как порозность слоя выше у стенок корпуса, чем в его центральной части, то здесь проходит и большее количество газа, т.е. адсорбент у стенок корпуса быстрее насыщается улавливаемым компонентом, чем в центре, что и приводит к ухудшению качества осушки. Кроме того, смещенные по вертикали в корпусе адсорбера дополнительные решетки уменьшают его полезный объем, т.е. объем, занимаемый абсорбентом, что также увеличивает металлоемкость конструкции.
Известен адсорбер (см. патент РФ №2146167, МПК В01D 53/04, опубл. 10.03.2000), включающий вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образованием чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки и патрубки отвода и подвода газа, при этом патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус из упругоэластичного материала, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки, причем канавки конструктивно выполнены в виде «ласточкина хвоста», при этом по направлению от большого основания патрубка подвода газа к меньшему его основанию равномерно на горизонтальном уровне между винтообразными продольно расположенными канавками размещены выпускные окна, имеющие одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне и возрастающий на последующих горизонтальных уровнях по мере движения очищаемого газа от большого основания патрубка подвода газа к его меньшему основанию, кроме того, меньшее основание патрубка подвода газа заглушено упругоэластичным материалом.
Недостатком является ухудшение качества очистки адсорбента при длительной эксплуатации, обусловленное разрушением зерен адсорбирующего вещества из-за непрерывного их трения между собой, так и о стенки зигзагообразных перегородок при подаче газа в адсорбер снизу вверх. В результате по мере разрушения путем измельчения зерен адсорбирующего вещества высота засыпки уменьшается, что приводит к более интенсивному перемещению в вертикальном направлении зерен адсорбирующего вещества, с последующим измельчением, а это в конечном итоге ухудшает поглощающую способность адсорбера в целом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание заданного качества очистки газа при длительной эксплуатации путем соблюдения нормированной поглощающей способности зерен абсорбента за счет постоянства их плотности по высоте слоя адсорбера, что выполняется за счет уменьшения объема адсорбера, величина которого определяется перемещающим вниз нижней части верхней решетки.
Технический результат достигается тем, что адсорбер, включающий вертикальный корпус, разделенный перфорированными зигзагообразными перегородками на секции с образованием чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, верхние и нижние решетки и патрубки отвода и подвода газа, при этом верхняя решетка выполнена разъемной и состоит из неподвижной верхней части и подвижной нижней части, причем связь между неподвижной верхней и подвижной нижней выполнена гибкой в виде пружин периферийно укрепленных между ними, а отверстия в верхней решетке выполнены в виде телескопических цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров верхней части в 2,0-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров нижней части верхней решетки.
На фиг.1 изображен внешний вид адсорбера, на фиг.2 изображен патрубок подвода в виде суживающегося усеченного конуса, на фиг.3 - развертка внутренней патрубка подвода газа, на фиг.4 - горизонтальные уровни в виде концентрических окружностей размещения выпускных окон, на фиг.5 - сечение винтообразной продольно расположенной канавки в виде «ласточкина хвоста», на фиг.6 - сечение верхней решетки, состоящей из неподвижной и подвижной нижней частей.
Адсорбер (фиг.1) включает вертикальный корпус 1, боковые стенки 2 которого выполнены зигзагообразными, установленные в нем секционные перегородки 3 выполнены перфорированными и зигзагообразными и образуют в каждой секции 4 диффузоры 5 и конфузоры 6, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке. Секции снабжены верхними выходными и нижними входными 8 решетками. Отвод очищенного газа осуществляется через патрубок вывода 9, а ввод очищенного газа через патрубок 10, выполненный в виде суживающего усеченного конуса.
На внутренней поверхности патрубка ввода газа 10 (фиг.2 и 3), состоящего из упругоэластичного материала, имеются винтообразные продольно расположенные канавки 11, между которыми по направлению от большего основания 12 патрубка ввода газа 10 к меньшему его основанию 13 на различных горизонтальных уровнях по периметру в виде концентрических окружностей 14, 15, 16 (фиг.4) выполнены выпускные окна 17, 18, 19 (фиг.2, фиг.3, фиг.4).
Выпускные окна 17 имеют одинаковый диаметр на одном горизонтальном уровне по периметру в виде концентрической окружности 14, выпускные окна 18 имеют одинаковый, но несколько больший, чем окна 17, диаметр на одном горизонтальном уровне по периметру в виде концентрической окружности 15. Та же самая пропорциональность наблюдается с окнами 19 на окружности 16.
При этом меньшее основание 13 патрубка ввода газа 10 закрыто упругоэластичным материалом, а винтообразные продольно расположенные канавки 11 выполнены в виде «ласточкина хвоста» (фиг.5)
Верхняя 7 решетка (фиг.6) состоит из неподвижной 20 части жестко укрепленной к внутренней поверхности 21 патрубка 9, например, посредством упоров или резьбовым соединением, и подвижной нижней 22 части. Связь между неподвижной верхней 20 и подвижной нижней 22 частями верхней решетки 7 выполнена гибкой в виде пружин 23, периферийно укрепленных между ними. Отверстия 24 в верхней 7 части решетки выполнены в виде телескопических 25 цилиндров, при этом внутренние диаметры цилиндров 26 верхней 20 части в 2,0-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров 27 нижней 22 части верхней решетки 7. Неподвижная верхняя часть 20 укреплена к внутренней поверхности 21 патрубка 9 посредством упоров-выступов 28 или резьбовым соединением.
Адсорбер работает следующим образом.
При засыпке нового, ранее не находящегося в эксплуатации адсорбирующего вещества, например силикагеля КСМ-5, в секции 4 вертикального корпуса 1 верхняя 7 разъемная решетка устанавливается таким образом, что ее верхняя 20 часть жестко укрепляется к внутренней поверхности 21 патрубка 9, например, посредством упоров 28 или резьбового соединения, а нижняя 22 часть свободно соприкасается с сыпучим материалом адсорбирующего вещества с усилием, равным величине сжатия пружины 23 в соответствии с условием, определяемым отсутствием «витания» зерен адсорбирующего вещества под действием восходящего (направленного снизу вверх) потока очищаемого газа, т.е. поступающего из секций 4 к верхней 7 решетке, но не вызывающих уплотняющих усилий, препятствующих перемешиванию слоев адсорбирующего вещества в процессе адсорбции (см., например, Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: Высшая школа. 1969. - 388 с., ил)
Газ, подлежащий очистке, подается через патрубок ввода газа 10 в корпус 1 адсорбера. В результате уменьшения проходного сечения патрубка ввода газа 10, выполненного в виде суживающего усеченного конуса с находящимися на внутренней его поверхности винтообразными продольно расположенными канавками 11, происходит возрастание скорости движущегося очищаемого газа. Периферийные слои очищаемого газа, перемещаясь по винтообразным, продольно расположенным канавкам 11, закручиваются, что приводит при движении очищаемого газа от большего 12 к меньшему 13 основанию патрубка ввода газа 10 к вращению всей массы очищаемого газа.
По мере вращения газа в патрубке ввода газа 10 осуществляется выпуск его через выпускные окна 17, 18 и 19. Известно, что скорость движения вращающегося очищаемого газа за счет сужения патрубка ввода газа 10, выполненного в виде суживающего усеченного конуса, увеличивается по мере перехода потока с уровней концентрических окружностей 14 к 15, с 15 к 16. Поэтому возрастание диаметра выпускных окон 18 относительно окон 17 и окон 19 относительно окон 18 приводит к рациональному перераспределению очищаемого газа, поступающего на нижнюю входную решетку 8.
Равномерная эпюра скоростей газового потока в поперечном сечении корпуса 1 адсорбера на выходе из нижней входной решетки 8 поддерживается за счет живого сечения выпускных окон 17, 18 и 19, что особенно важно для периферийной зоны корпуса 1 адсорбера, где порозность слоя адсорбента выше, чем в его центральной части.
Одновременно повышение расхода очищаемого газа через центральную часть адсорбера приводит к эжектированию газа из пристенной зоны корпуса 1, вследствие чего эффективность процесса осушки повышается, как за счет равномерного насыщения слоя адсорбента по сечению корпуса 1, так и за счет повышения степени очистки газа.
Очищаемый газ с оптимальной эпюрой скоростей после входной нижней решетки 8, обеспечивающий рациональный контакт с адсорбером по поперечному сечению корпуса 1, поступает в секции 4 и, проходя последовательно участки диффузоров 5 и конфузоров 6, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению массообмена, а также к перераспределению в секциях 4 давления газа. Это выравнивает гидравлическое сопротивление газа в секциях 4 и обеспечивает равномерное омывание газом всего объема адсорбента. Очищенный газ из секций 4 поступает в телескопические 25 цилиндрические отверстия 24 и через патрубок 9 к потребителю.
Если по условиям эксплуатации возникает необходимость увеличить количество очищаемого газа, поступающего в адсорбер, то тогда возрастает газовая нагрузка и, соответственно, напор газа, воздействующего на закрытое меньшее основание 13 патрубка ввода газа 10. В этом случае под воздействием возросшего напора газа на закрытое меньшее основание 13 это основание перемещается вверх вследствие того, что материал патрубка ввода газа 10 упругоэластичный, при этом перемещение осуществляется до достижения динамического равновесия между упругостью материала и величиной напора очищаемого газа.
Одновременно с перемещением меньшего основания 13 растягиваются винтообразные продольно расположенные канавки 11, сохраняя свою форму в виде «ласточкиного хвоста», и увеличиваются сечения выпускных окон 17, 18 и 19 прямо пропорционально на каждом горизонтальном уровне и равномерно по концентрическим окружностям 14, 15 и 16.
Следовательно, в процессе изменения газовой нагрузки обеспечивается независимость получения равномерной эпюры скоростей газового потока, контактирующего с адсорбентом по всему поперечному сечению корпуса 1 адсорбента на выходе из нижней входной решетки 8.
По мере перемещения потока газа при осуществлении процесса очистки, зерна адсорбента в результате трения в псевдосжиженном состоянии разрушаются и объем при вертикальной засыпке в корпус 1 адсорбирующего вещества уменьшается, т.е. появляется воздушная прослойка между верхним слоем адсорбента и верхней 7 решеткой. Тогда отдельные зерна адсорбента под действием движущегося снизу вверх потока очищаемого газа в секциях 4 отрываются от верхнего слоя насыпной массы и с возрастающим усилием ударяются о верхнюю 7 решетку (см., например, Седов Л.И. Механика сплошных сред. - М.: Наука 1990. - 537 с., ил.), что интенсифицирует их дальнейшее разрушение и, соответственно, приводит к последующему уменьшению объема адсорбирующего вещества. Следовательно, сокращается полезная поглощательная поверхность зерен адсорбента и всей адсорбирующей массы в корпусе 1 в целом, а это, как известно, снижает качество адсорбционной очистки газа.
В предлагаемом техническом решении по мере уменьшения объема адсорбирующего вещества в корпусе 1, т.е. снижения его высоты в секциях 4, пружины 23 растягиваются, перемещая вниз нижнюю часть 22 верхней 7 решетки, чем и поддерживается заданное уплотнение адсорбирующего вещества, т.е. устраняется образование воздушной прослойки перед верхней 7 решеткой.
Отверстия 24 в верхней 7 решетке выполнены в виде полых телескопических цилиндров 25, при этом полый цилиндр 27 нижней части 22 верхней решетки 7 выходит при перемещении вниз нижней части 22 из полого цилиндра 26. При этом внутренние диаметры цилиндров 26 верхней 22 части в 2-2,5 раза превышают внешние диаметры цилиндров 27 нижней 22 части верхней 7 решетки, данное соотношение приводит к тому, что очищенный газ на выходе из полых цилиндров 27, внезапно расширяясь, резко снижает свою скорость и температуру (эффект Джоуля-Томсона, см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980. - 469 с., ил.). Это позволяет также нормализовать поступление очищенного газа через патрубок 9 к потребителю как по давлению, так и температуре.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что выполнение верхней решетки разъемной в виде двух - верхней и нижней - частей и с возможностью по мере разрушения зерен адсорбирующего вещества в корпусе адсорбера нижней части перемещаться вниз, удаляя воздушную прослойку перед верхней решеткой, обеспечивает поддержание заданного качества адсорбционной очистки газа при длительной эксплуатации, обусловленной интенсивным разрушением зерен адсорбента, приводящего к уменьшению высоты адсорбирующего вещества и снижению его поглощающей способности.