МОБИЛЬНЫЙ АДСОРБЕР МОДУЛЬНОГО ТИПА
MOBILE MODULE-TYPE ADSORBER

Изобретение относится к оборудованию для адсорбционной очистки газов от примесей, в частности углеводородных газов от сероводорода, воды и других компонентов, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.
Известен адсорбер, включающий цилиндрический корпус с верхним и нижним днищами, штуцера ввода очищаемого газа и вывода очищенного газа, штуцера ввода и вывода газа регенерации, нижнюю распределительную колосниковую решетку, на которой размещается слой адсорбента на слое инертной подложки из гравия или керамической, фарфоровой или металлической насадки, люки для загрузки и выгрузки адсорбента (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. С. 222-223, Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. С. 446-448) (аналог). Основными недостатками аналога являются:
- стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки;
- невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации;
- неравномерность распределения потока очищаемого газа по нормальному сечению слоя адсорбента из-за того, что выход очищенного газа через верхний штуцер, имеющий во много раз меньшее сечение, чем нормальное сечение слоя адсорбента, приводит к образованию застойных зон вокруг выхода очищенного газа, имеющего форму усеченного конуса, что приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов;
- наличие слоя инертной подложки увеличивает габариты и материалоемкость адсорбера, что опосредовано приводит к росту основных фондов установки для адсорбционной очистки газов;
- слой инертной подложки, состоящий из частиц гравия или насадки с размерами больше гранул имеет крупные транспортные каналы диаметром несколько меньшим размеров гранул адсорбента, это позволяет проходить твердым и жидким частицам, находящихся в потоке очищаемого газа в слой адсорбента, при этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, а твердые частицы закупоривают мелкие транспортные поры между гранулами, что в обоих случаях приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
Известен адсорбер, включающий корпус, патрубок подачи газа для очистки, патрубок вывода чистого газа, емкость с сорбентом, нажимное устройство в виде решетки, опорное кольцо с пневмоцилиндрами двойного действия, поршни которых соединены с решеткой и подключены с помощью двух коллекторов, двух трехходовых вентилей и трубопровода к патрубку ввода газа, на патрубках для засыпки сорбента установлены приборы для контроля за усадкой сорбента (патент РФ на изобретение №2305003) (аналог). Недостатками данного аналога являются:
- стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки;
- невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации;
- чрезмерная усложненность конструкции адсорбера для обеспечения уплотнения слоя адсорбента при его усадке, приводящая к существенному удорожанию конструкции в целом;
- наличие движущихся деталей в конструкции адсорбера (поршни в пневмоцилиндрах, нажимное устройство) повышают степень потенциальной аварийности адсорбера;
- при наличии твердых и жидких частиц в потоке очищаемого газа частицы беспрепятственно проникают в слой адсорбента, при этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, а твердые частицы закупоривают мелкие транспортные поры между гранулами, что в обоих случаях приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
Известен также 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 патрубок подвода газа представляет собой суживающийся усеченный конус из упруго-эластичного материала, на внутренней поверхности которого имеются винтообразные продольно расположенные канавки, причем канавки конструктивно выполнены в виде "ласточкина хвоста", при этом по направлению от большего 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 большего основания патрубка подвода газа к его меньшему основанию, кроме того, меньшее основание патрубка подвода газа заглушено упруго-эластичным материалом, причем на внутренней поверхности патрубка отвода газа выполнены винтообразные продольно расположенные канавки, касательная которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности патрубка подвода газа, представляющего собой суживающийся усеченный конус, касательная винтообразных продольно расположенных канавок имеет направление против хода часовой стрелки, при этом перфорированные зигзагообразные перегородки выполнены из биметалла, причем материал биметалла внутренней поверхности конфузора имеет коэффициент теплопроводности в 2-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности материала биметалла внутренней поверхности диффузора (патент РФ на полезную модель №141495 (аналог). Недостатками данного аналога являются:
- стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки;
- невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации;
- чрезмерная усложненность конструкции адсорбера установкой в нем перфорированных зигзагообразных перегородок, так как формирование ими чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров при наличии в них перфорации и низкой средней линейной скорости движения очищаемого газа не может приводить к интенсификации процесса адсорбционной очистки и только повышает материалоемкость аппарата;
- при наличии твердых и жидких частиц в потоке очищаемого газа частицы беспрепятственно проникают в слой адсорбента, при этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, а твердые частицы закупоривают мелкие транспортные поры между гранулами, что в обоих случаях приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
Известен также адсорбер вертикальный с неподвижным слоем адсорбента, содержащий вертикальный корпус, опорную решетку с насыпным слоем адсорбента, металлические разделительные сетки и слои керамических шаров, размещенных на опорной решетке и сверху слоя адсорбента, штуцер на верхнем днище корпуса адсорбера для входа перерабатываемого газа (выхода регенерационного газа), штуцер на нижнем днище корпуса адсорбера для выхода перерабатываемого газа (входа регенерационного газа), распределительные устройства для перерабатываемого регенерационного газа, отличающийся тем, что над верхним слоем адсорбента, покрытого слоем керамических шаров, размещена горизонтальная кольцевая перфорированная перегородка, перекрывающая поперечное сечение корпуса адсорбера, центральная часть которой выполнена в форме расширяющегося кверху конического стакана, на дне которого предусмотрены сквозные отверстия, при этом в перфорированной перегородке на площади между коническим стаканом и корпусом адсорбера выполнены отверстия с разными диаметрами и расстояниями между ними (патент РФ на изобретение №2530112) (аналог).
Недостатками данного аналога являются:
- стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки;
- невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации;
- наличие двух слоев керамических шаров, между которыми размещается слой адсорбента приводит к существенному увеличению гидравлического сопротивления при прохождении очищаемого газа через адсорбер и соответствующему возрастанию энергозатрат на реализацию процесса очистки газа;
- при наличии твердых и жидких частиц в потоке очищаемого газа частицы беспрепятственно проникают в слой адсорбента, при этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, а твердые частицы закупоривают мелкие транспортные поры между гранулами, что в обоих случаях приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
Наиболее близким изобретением является вертикальный адсорбер, который содержит цилиндрический корпус с крышкой и днищем, в крышке смонтированы загрузочный люк, штуцер для подачи исходной смеси с распределительной сеткой, штуцер для отвода паров при десорбции и штуцер для предохранительного клапана, причем в месте стыка крышки и корпуса предусмотрено кольцо жесткости, а в средней части корпуса на опорном кольце установлены балки с опорами, поддерживающие колосниковую решетку, на которой уложен слой гравия, причем слой адсорбента расположен между слоем гравия и сеткой, на которой расположены грузы для предотвращения уноса адсорбента при десорбции, а выгрузка отработанного адсорбента осуществляется через разгрузочный люк, установленный в корпусе, а в днище смонтирован барботер и смотровой люк со штуцером для отвода конденсата и подачи воды, барботер выполнен тороидальной формы и закреплен на конической поверхности днища посредством распорок (патент РФ на изобретение №2508932) (прототип).
Недостатками данного прототипа являются:
- стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки;
- невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации;
- использование адсорбентов с низкой адсорбционной активностью и селективностью (пористых полимерных материалов, стекла, пористой резины, композиционных материалов, древесины, нержавеющей стали, титановых сплавов, благородных металлов) не технологичных и дорогостоящих в изготовлении, поскольку гранулы адсорбента имеют форму в виде цилиндрического кольца, к боковой поверхности которого оппозитно друг другу прикреплены две полусферические поверхности таким образом, что диаметральные плоскости полусфер совпадают соответственно с верхним и нижним основаниями цилиндрического кольца, а вершины полусферических поверхностей находятся на оси кольца и направлены навстречу друг другу;
- отношение высоты Н цилиндрической части корпуса к его диаметру D находится при соотношении величин H/D=0,73…1,1 и отношение высоты слоя адсорбента H1 к высоте Н цилиндрической части корпуса при соотношении величин: Н1/Н=0,22…0,55 не является оптимальным, поскольку для обеспечения высокой адсорбционной активности адсорбента высота его слоя в адсорбере должна быть многократно больше длины зоны массопередачи, при этом соотношение величин H/D существенно больше 2;
- при наличии твердых и жидких частиц в потоке очищаемого газа частицы беспрепятственно проникают в слой адсорбента, при этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, а твердые частицы закупоривают мелкие транспортные поры между гранулами, что в обоих случаях приводит к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
Анализ патентной и технической литературы показал, что при наличии индивидуальных недостатков рассмотренные конструкции адсорберов имеют общие существенные недостатки: стационарное исполнение адсорбера, что подразумевает строительство на месте эксплуатации зданий, помещений для его установки и невозможность подогрева адсорбента без контакта с теплоносителем в процессе регенерации.
При создании изобретения ставилась задача разработки конструкции адсорбера-теплообменника в модульном мобильном варианте, позволяющем оперативно доставить его в любую точку планеты. При этом адсорбер должен иметь максимально возможную вместимость сорбента и возможность разогрева сорбента до температуры регенерации.
Поставленная задача решается за счет того, что внешние стенки адсорбера для очистки газов, выполнены в виде стандартного морского контейнера для удобной транспортировки и быстрой привязки на месте эксплуатации (Фиг. 1). Стандартные размеры позволяют быстро доставлять контейнеры в любую точку планеты, пользуясь логистическими цепочками транспортных компаний. Во внутренней части адсорбер включает трубы заполненные сорбентом через которые пропускают очищаемый газ, и имеет изолированное межтрубное пространство для теплоносителя (Фиг. 2). Это позволяет прогревать сорбент теплоносителем при регенерации без непосредственного контакта теплоносителя с сорбентом, так как контакт теплоносителя - горячего воздуха с сорбентом зачастую приводит к его дезактивации. Трубы в нижней части адсорбера попарно соединены U-образными или прямоугольными перемычками в направлении движения газа для последовательного перехода газа, сварные соединения которых обеспечивают герметичность и безопасность работы адсорбера (Фиг. 3). В верхней части адсорбера два ряда труб по направлению движения газа объединены между собой в единое изолированное пространство, ограниченное стенками в направлении движения газа для перехода газа через данное пространство из одного ряда попарно соединенных труб в следующий (Фиг. 4). Единое изолированное пространство, ограниченное стенками, имеет на верхней стенке съемную крышку для загрузки и выгрузки сорбента. Крышка находится внутри единого изолированного пространства и упирается изнутри в края стенки с отверстием, и при повышении давления внутри единого изолированного пространства газ плотнее прижимает крышку к краям отверстия. Данная конструкция, когда крышка при повышении давления плотнее прижимается к краям стенки, позволяет существенно снизить вероятность утечки горючего газа с последующим взрывом, заметно повышая безопасность адсорбера.
С торцов адсорбер имеет по два фланца для входа и выхода очищаемого газа и газа-теплоносителя (Фиг. 5).
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки конструкции адсорбера в модульном мобильном контейнерном варианте, позволяющем оперативно доставить его в любую точку планеты с максимально возможной вместимостью сорбента и возможностью регенерации сорбента бесконтактным разогревом теплоносителем без извлечения из адсорбера.