Электроадсорбер непрерывного действия

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых для процесса адсорбции и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтегазовой, строительной, металлургической, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах селективной очистки газовых выбросов.
Известны конструкции адсорбционных массообменных аппаратов, представляющих собою вертикальные аппараты, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены секции со слоями сорбента (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. – М.: Инфра-Инженерия, 2019. – 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина.  – Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. – 856 с.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая эффективность массообменных процессов и степень очистки сплошной газовой фазы (из-за отсутствия наложенных электрических полей, приводящих к интенсификации диффузионных процессов и увеличению емкости сорбентов) и неравномерность пребывания дисперсной фазы (сорбента) в массообменных аппаратах.
Известна конструкция аппарата для проведения сорбционных процессов во взвешенном слое, содержащий корпус с патрубками для входа и выхода газового потока и адсорбента, газораспределительную решетку и циклонное устройство, при том, что над газораспределительной решеткой установлен стакан с перфорированным днищем, а внутри циклонного устройства установлено кольцо, причем стакан и кольцо, выполненные из электропроводного материала, закреплены на электроизоляционных прокладках и имеют клеммы для присоединения к источнику постоянного тока (Патент РФ № 2078410; МПК B01D53/06; опубл. 17.05.1994).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая степень очистки сплошной газовой фазы (производительность массообменного аппарата по извлекаемому компоненту), из-за неравномерности времени пребывания сорбента в аппарате.
Известна конструкция аппарата для очистки газа от примесей, включающий рабочую камеру с диспергированным адсорбентом, коронирующий электрод, патрубки для подвода и отвода газа, при том, что рабочая камера выполнена в виде параллельных перфорированных емкостей из диэлектрического материала с размещенным внутри адсорбентом, делящих аппарат на секции для ионизации газа, в которых расположены коронирующие электроды (Патент РФ №2133139; МПК B01D 53/04, B01D 53/32; 20.07.1999).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в устойчивом непрерывном режиме.
Известна конструкция адсорбера, включающего цилиндрический корпус и днища, внутренний и внешний перфорированные цилиндры, установленные соосно с корпусом и между собой, заполненные адсорбентом или другим материалом, и штуцера входа и выхода, расположенные на обоих днищах адсорбера, при том, что на верхнем днище установлены штуцера для подачи свежего адсорбента и отвода очищенной жидкости, на нижнем днище установлены штуцера для подачи очищаемой жидкости и отвода отработанного адсорбента, осесимметрично с корпусом и цилиндрами установлен стержень-электрод, при этом корпус и внутренний цилиндр присоединены к отрицательному полюсу, внешний цилиндр и стержень-электрод - к положительному полюсу источника постоянного тока (Патент РФ №101940; МПК B01D 53/02; опубл. 10.02.2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится низкая степень очистки сплошной газовой фазы (малая производительность массообменного аппарата по извлекаемому компоненту) вследствие неравномерности времени пребывания сорбента и отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в устойчивом непрерывном режиме.
Известна конструкция массообменного аппарата для электросорбционных процессов, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при том, что корпус и полый вал выполнены из электропроводного материала и подсоединены к противоположно заряженными полюсам источника постоянного напряжения, а шнековый винт, радиальные перегородки и перфорированная решетка выполнены из диэлектрического материала (Патент РФ № 195520; МПК В01D53/06, B01D11/02; опубл. 30.01.2020).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая степень очистки сплошной газовой фазы (малая производительность массообменного электросорбционного аппарата по извлекаемому компоненту), вследствие неравномерности (неоднородности) параметров электрического поля в рабочем объеме аппарата.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция электроадсорбера, включающего вертикальный корпус с патрубками, при том, что корпус снабжен  следующими патрубками: подвода адсорбента, подвода очищаемой сплошной газовой фазы, отвода адсорбента и отвода сплошной газовой фазы, при этом корпус содержит газораспределительную камеру, закрепленный на полом валу шнековый винт с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, а также  перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, шнековый винт выполнен двухзаходным из двух противоположно заряженных спиральных лент с перфорированными винтовыми поверхностями, разделенных диэлектрической прослойкой, радиальные перегородки расположены на нижней винтовой поверхности нижней спиральной ленты шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта,  по наружному торцу шнекового винта установлена торцевая диэлектрическая прокладка, а полый вал, перфорированная решетка и радиальные перегородки выполнены из диэлектрического материала (Патент РФ № 198300; МПК В01D53/06, B01D11/02, B01D 53/04, B01D 53/32, B01D 53/02; опубл. 30.06.2020).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая степень очистки сплошной газовой фазы (производительность электроадсорбера по извлекаемому компоненту), связанная с высоким сопротивлением витков, вызванном необходимостью применения диэлектрической прослойки между витками, относительно низкой проницаемостью витков и наличием фиктивного пространства в объеме массообменного аппарата (связанного с необходимостью соблюдать требуемый угол наклона витков рабочего органа).
Задача – разработка конструкции электроадсорбера непрерывного действия, обеспечивающего развитый контакт между сплошной фазой и сорбентом, при равномерном времени пребывания сорбента в массообменном аппарате и устойчивом непрерывном режиме работы. В условиях равномерной напряженности электрического поля по объему массообменного аппарата.
Техническим результатом предлагаемого электроадсорбера непрерывного действия является интенсификация массообменных процессов и повышение степени очистки сплошной газовой фазы.
Технический результат достигается при использовании электроадсорбера непрерывного действия, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу двухзаходного шнекового винта из двух противоположно заряженных спиральных лент, с радиальными перегородками, установленными с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом спиральные ленты шнекового винта выполнены сетчатыми, установлены с радиальным смещением 180° относительно друг друга, радиальные перегородки выполнены на нижней поверхности каждой спиральной ленты шнекового винта, а корпус выполнен экранирующим.
Выполнение двухзаходного шнекового винта в виде плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных противоположно заряженных винтовых электропроводных поверхностей, выполненных сетчатыми с радиальным смещением и одинаковым углом захода спирали, обеспечивает равномерное и эффективное воздействие электрического поля на слой адсорбента, сползающего по верхним поверхностям двухзаходного шнекового винта. Под воздействием электрического поля увеличивается емкость сорбентов и снижается их диффузионное сопротивление, так как под воздействием электрических полей заданной интенсивности (напряженности) раскрываются микропоры сорбентов, резко увеличивая поверхность межфазного контакта (Голованчиков А.Б. Интенсификация массообменных процессов в электрическом поле [Электронный ресурс] : монография / А.Б. Голованчиков, М.Ю. Ефремов, Н.А. Дулькина; ВолгГТУ. - Волгоград: ВолгГТУ, 2011. - 152 с.). Таким образом, адсорбционные процессы, осуществляемые под воздействием электрического поля, существенно интенсифицируются, что повышает производительность массообменного аппарата и степень очистки газовых выбросов (сплошной газовой фазы).
Выполнение двухзаходного шнекового винта со смещением спиральных лент относительно друг друга позволяет осуществлять подачу адсорбента на каждую из двух поверхностей сетчатых спиральных лент двухзаходного шнекового винта одновременно, что позволит повысить степень эффективного использования рабочего объема массообменного аппарата и повысить степень очистки газовых выбросов.
Выполнение противоположно заряженных спиральных лент сетчатыми, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление газовому потоку, что приводит к повышению проницаемости витков двухзаходного шнекового винта и обеспечивает наиболее развитый контакт сплошной газовой фазы с гранулами адсорбента. Это увеличивает подвижность гранул сползающего псевдоожиженного кипящего слоя адсорбента, а также обезопасит аппарат от образования застойных зон и снизит общее гидравлическое сопротивление массообменного аппарата, что в свою очередь повысит качество очистки сплошной газовой фазы и окажет положительный энергосберегающий эффект.
Использование экранирующих свойств заземленного корпуса массообменного аппарата, выполненного из токопроводящего материала, позволяет снизить вредное воздействие электрического поля на рабочее пространство вблизи аппарата. Кроме того, за счет заземления электропроводного корпуса повышается электробезопасность эксплуатации массообменного аппарата, образуется щит от пробоя за счет снижения утечки тока через вал.
На фиг. 1 показан общий вид электроадсорбера непрерывного действия в разрезе.
На фиг. 2 представлены сетчатые спиральные ленты двухзаходного шнекового винта.
Электроадсорбер непрерывного действия состоит из вертикального экранирующего корпуса 1 с газораспределительной камерой 2, с патрубками для подвода 3 и отвода 4 адсорбентов, патрубками входа 5 и выхода 6 очищаемого потока сплошной газовой фазы, закрепленного на полом валу 7 двухзаходного шнекового винта 8, и перфорированной решетки 9, отделяющей газораспределительную камеру 2 от шнекового винта 8. Шнековый винт 8 выполнен двухзаходным из двух противоположно заряженных сетчатых спиральных лент 10 и 11 с радиальным смещением 180° относительно друг друга и одинаковым углом захода спирали. По наружным торцам сетчатые спиральные ленты 10, 11 двухзаходного шнекового винта 8 снабжены торцевыми диэлектрическими прокладками 12. На нижних винтовых поверхностях каждой из противоположно заряженных сетчатых спиральных лент 10 и 11 шнекового винта 8 выполнены радиальные перегородки 13 из диэлектрического материала, с зазором 14 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта 8. Полый вал 7, газораспределительная решетка 2 и радиальные перегородки 14 выполнены из диэлектрического материала.
Противоположно заряженные сетчатые спиральные ленты 10, 11 шнекового винта 8 из электропроводного материала, подсоединены к противоположно заряженным полюсам источника постоянного напряжения: полярность подключения спиральных лент 10, 11 и напряженность электрического поля зависит от назначения электроадсорбера и может меняться в зависимости от требований к текущему режиму работы.
Электроадсорбер непрерывного действия работает следующим образом.
По патрубкам для подвода адсорбентов 3 подаваемые адсорбенты поступают в верхнюю часть экранирующего корпуса 1 массообменного аппарата на верхние витки сетчатых спиральных сетчатых лент 10 и 11 двухзаходного шнекового винта 8. Затем адсорбенты медленно движутся сверху вниз под совместным действием силы тяжести и омывающего потока сплошной газовой фазы, приводящего частицы адсорбента в подвижность, по верхним электропроводным поверхностям сетчатых спиральных лент 10 и 11 через зазоры 14, между радиальными перегородками 13 из диэлектрического материала и верхними поверхностями сетчатых спиральных лент 10 и 11 следующего витка двухзаходного шнекового винта 8 и выходит из корпуса 1 через патрубок отвода адсорбентов 4.
Одновременно с ней по патрубку входа очищаемой сплошной газовой фазы 5 в газораспределительную камеру 2 подают восходящий поток сплошной газовой фазы, который равномерно распределяется по сечению электроадсорбера, проходя через перфорированную решетку 9. Поток сплошной газовой фазы, проходя сквозь сетчатые спиральные ленты 10 и 11 двухзаходного шнекового винта 8, образует с подаваемым адсорбентом движущийся псевдоожиженный кипящий слой, в котором происходит массообмен между подаваемым адсорбентом и восходящей сплошной газовой фазой.
Очищенный поток сплошной газовой фазы выходит из корпуса 1 через патрубок выхода сплошной газовой фазы 6. Так как между витками двухзаходного шнекового винта 8 установлены радиальные перегородки 13 ограничивающие слой дисперсной фазы, то движение сплошной газовой фазы по винтовому каналу в корпусе 1 электроадсорбера в зазоре 14, между подаваемым адсорбентом и нижними поверхностями сетчатых спиральных лент 10 и 11, затруднено, что заставляет поток сплошной газовой фазы двигаться вертикально сквозь сетчатые спиральные ленты 10 и 11 двухзаходного шнекового винта 8 и осуществлять развитый контакт с адсорбентом. Между противоположно заряженными электропроводными сетчатыми спиральными лентами 10, 11 двухзаходного шнекового винта 8, подключенными к противоположно заряженным источникам постоянного напряжения, возникает регулируемое электрическое поле заданной напряженности. Под воздействием электрического поля происходит интенсификация массообменного процесса и повышается емкость адсорбентов, при снижении их диффузионного сопротивления, в результате чего происходит интенсификация сорбционных массообменных процессов и повышается степень очистки сплошной газовой фазы. Выполнение газораспределительной решетки 2 и радиальных перегородок 13 из диэлектрического материала, а также наличие торцевых диэлектрических прокладок 12, установленных по наружным торцам сетчатых спиральных лент 10 и 11 двухзаходного шнекового винта 8, обеспечивает сохранность электроцепи от пробоя и принципиальную работоспособность электроадсорбера непрерывного действия. Для защиты цепи от токов короткого замыкания служит автоматический выключатель QF.
Электроадсорбер непрерывного действия способен найти свое промышленное применение в крупногабаритных массообменных аппаратах с достаточно высокой напряженностью электрического поля, при этом используются экранирующие свойства заземленного корпуса массообменного аппарата, выполненного из токопроводящего материала с целью снижения вредного воздействия электрического поля на рабочее пространство вблизи аппарата.
Таким образом, использование электроадсорбера непрерывного действия, состоящего из вертикального экранирующего корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу двухзаходного шнекового винта с сетчатыми спиральными лентами с радиальным смещением 180° относительно друг друга и одинаковым углом захода спирали и снабженными торцевыми диэлектрическими прокладками по наружным торцам, радиальных перегородок, выполненных на нижней поверхности каждой спиральной ленты шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, позволяет интенсифицировать массообменные процессы и повысить степень очистки сплошной газовой фазы.