ЭЛЕКТРОАДСОРБЕР

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых для процесса адсорбции, и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтегазовой, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах селективной очистки газовых неоднородных систем.
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 (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 № 2078410, РФ B01D53/06 1997).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность массообменного аппарата, из-за неравномерности времени пребывания сорбента в аппарате.
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 №101940, РФ B01D 53/02, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится малая производительность массообменного аппарата вследствие неравномерности времени пребывания сорбента и отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в устойчивом непрерывном режиме.
Известна конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом, что корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при том радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент №141487, РФ B01D53/06, B01D11/02, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится не высокая интенсивность массообменных процессов и малая производительность массообменного аппарата, вследствие низкой емкости сорбентов при осуществлении процесса адсорбции.
Наиболее близким техническим решением по назначению к заявляемому объекту и принятому за прототип является 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 №2133139, РФ B01D 53/04, B01D 53/32, 1999).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в устойчивом непрерывном режиме.
Задача – разработка конструкции электроадсорбера, обеспечивающего развитый контакт между сплошной фазой и сорбентом, при равномерном времени пребывания сорбента в аппарате и устойчивом непрерывном режиме работы.
Техническим результатом предлагаемого электроадсорбера является интенсификация массообменных процессов и повышение производительности аппарата.
Технический результат достигается при использовании электроадсорбера, состоящего из вертикального корпуса с патрубками, причем 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.
Выполнение перфорированного шнекового винта в виде «плоского конденсатора», состоящего из двух параллельных противоположно заряженных спиральных лент (винтовых электропроводных поверхностей), разделенных диэлектрической прослойкой, обеспечивает равномерное и эффективное воздействие электрического поля на слой адсорбента, сползающего по верхней поверхности шнекового винта. Под воздействием электрического поля заданной интенсивности (напряженности) раскрываются микропоры сорбентов, резко увеличивая поверхность межфазного контакта. В результате увеличивается емкость адсорбентов и снижается их диффузионное сопротивление. Таким образом, адсорбционные процессы, осуществляемые под воздействием электрического поля существенно интенсифицируются, что повышает производительность массообменного аппарата.
Изоляция двухзаходного шнекового винта от корпуса аппарата при помощи диэлектрического торцевого уплотнителя, и выполнение радиальных перегородок, полого вала и перфорированной решетки из диэлектрического материала, позволяет предотвратить пробой между противоположно заряженными спиральными лентами с перфорированными винтовыми поверхностями двухзаходного шнекового винта (электродными поверхностями шнекового винта), что обеспечивает работоспособность устройства.
K
M
f
Как показали экспериментальные исследования [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.] при протекании массообменных сорбционных процессов под воздействием электрических полей повышается емкость адсорбентов, снижается их внутридиффузионное сопротивление и интенсивность массопередачи возрастает на 20-30% (для процессов абсорбции, адсорбции, ионного обмена). В результате чего увеличивается производительность по извлекаемому компоненту .
Основное уравнение массопередачи:
Уравнение материального баланса:
(y
‒ y
)
G
н
к
То есть при постоянной движущей силе процесса , за счет наложения электрических полей в ходе массообменных процессов наблюдается рост производительности аппарата  на 20-30%, по сравнению с прототипом (Массообменный аппарат, №141487, РФ B01D53/06, B01D11/02, 2014), при всех ранее заявленных положительных характеристиках массообменного аппарата.
На фиг. 1 показан электроадсорбер в разрезе.
На фиг. 2 представлено сечение А-А двухзаходного шнекового винта.
Электроадсорбер состоит из вертикального корпуса 1 с газораспределительной камерой 2, с патрубками для подвода 3 и отвода 4 адсорбентов, патрубками входа 5 и выхода 6 очищаемой 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 спиральных лент 10, 11 с перфорированными винтовыми поверхностями, разделенных диэлектрической прослойкой 12, и снабжен торцевой диэлектрической прокладкой 13, установленной по наружному торцу шнекового винта 8. На нижней винтовой поверхности нижней спиральной ленты 11 шнекового винта 8 выполнены радиальные перегородки 14 из диэлектрического материала, с зазором 15 относительно верхней поверхности верхней спиральной ленты 10 следующего витка шнекового винта 8. Полый вал 7, перфорированная решетка 9 и радиальные перегородки 14 выполнены из диэлектрического материала.
Спиральные ленты 10, 11 шнекового винта 8 из электропроводного материала, разделенные диэлектрической прослойкой 12, подсоединены к противоположно заряженным полюсам источника постоянного напряжения: полярность подключения спиральных лент 10, 11 зависит от назначения электроадсорбера и может меняться в зависимости от требований к текущему режиму работы.
Электроадсорбер работает следующим образом.
По патрубку подвода адсорбентов 3 подаваемые адсорбенты поступают в верхнюю часть корпуса 1 аппарата. Затем адсорбенты медленно движутся сверху вниз под действием силы тяжести по верхней электропроводной поверхности спиральной ленты 10 через зазоры 15, между радиальными перегородками 14 из диэлектрического материала и верхней поверхностью спиральной ленты 10 следующего витка 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 из диэлектрического материала. Поток сплошной газовой фазы, проходя через отверстия в витках перфорированного шнекового винта 8, образует с очищаемой сплошной газовой фазой подвижный кипящий слой, в котором происходит массообмен между подаваемым адсорбентом и очищаемой сплошной газовой фазой. Поток сплошной газовой фазы выходит из корпуса 1 через патрубок выхода сплошной газовой фазы 6. Так как между витками двухзаходного перфорированного шнекового винта 8 установлены радиальные перегородки 14, ограничивающие слой адсорбента, то движение сплошной газовой фазы по винтовому каналу в корпусе 1 электроадсорбера в зазоре 15 между подаваемым адсорбентом и верхней поверхности следующего витка спиральной ленты 10 перфорированного шнекового винта 8 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через отверстия шнекового винта 8 и осуществлять развитый контакт с адсорбентом. Между противоположно заряженными электропроводными спиральными лентами 10 и 11 двухзаходного шнекового винта 8, разделенных диэлектрической прослойкой 12 и подключенных к противоположно заряженным источникам постоянного напряжения, возникает регулируемое электрическое поле заданной интенсивности. Под воздействием электрического поля происходит интенсификация массообменного процесса и повышается емкость адсорбента, при снижении его диффузионного сопротивления, в результате чего происходит интенсификация сорбционных массообменных процессов и увеличивается производительность массообменного аппарата. Выполнение полого вала 7, газораспределительной решетки 9, радиальных перегородок 14, диэлектрической прослойки 12 из диэлектрического материала, а также наличие торцевой диэлектрической прокладки 13, установленной по наружному торцу двухзаходного шнекового винта 8, обеспечивает сохранность электроцепи от пробоя и принципиальную работоспособность электроадсорбера. Для защиты цепи от токов короткого замыкания служит автоматический выключатель QF.
Таким образом, выполнение перфорированного двухзаходного шнекового винта  в виде противоположно заряженных электропроводных спиральных лент (по аналогии с пластинами плоского конденсатора), разделенных диэлектрической прослойкой, по наружному торцу которого установлена диэлектрическая прокладка, при выполнении полого вала, газораспределительной решетки, радиальных перегородок также из диэлектрического материала, позволяет осуществлять процесс адсорбции в равномерных электрических полях заданной интенсивности, что приводит к интенсификации массообменных сорбционных процессов и повышает производительность адсорберов.