АДСОРБЕР ВЕРТИКАЛЬНЫЙ С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ АДСОРБЕНТА
VERTICAL ADSORBER WITH FIXED ADSORBENT BED

Изобретение предназначено для промышленной адсорбции газов и паров в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.
В технологии промышленной адсорбции газов и паров широкое применение нашли вертикальные адсорберы, внутренняя полость которых заполнена неподвижным слоем зернистого адсорбента. При этом адсорбент равномерно распределен по всей площади поперечного сечения аппарата.
Перерабатываемый газ поступает в аппарат сверху через штуцер, установленный на верхнем днище, и движется в слое адсорбента в направлении сверху вниз. Газ, используемый для регенерации адсорбента, движется в обратном направлении снизу вверх. Такая схема движения потоков принята в связи с тем, что расход регенерационного газа и, соответственно, скорость его движения в слое абсорбента значительно меньше, чем расход и скорость движения перерабатываемого газа. Применение меньших значений скоростей газа при пропускании его снизу вверх снижает динамическое воздействие потока газа на зерна адсорбента, уменьшает их перемещение в слое, истирание и унос с потоком газа через верхний штуцер.
Вертикальные адсорберы с полым корпусом просты по конструкции. Они пригодны для осуществления процесса адсорбции в достаточно большом диапазоне давлений и расходов перерабатываемых газов. Их широко используют в технологии очистки и осушки углеводородных газов, таких как природные, нефтяные, газы пиролиза углеводородного сырья и др. Они также применяются для процессов очистки газов, например, от летучих растворителей, осушки воздуха, получения чистых инертных газов. В качестве поглотителей при осуществлении процесса адсорбции в зависимости от того, какой компонент поглощается из газовой смеси, чаще других применяют активный уголь, цеолиты, силикагели и активную окись алюминия.
К недостаткам вертикальных полых адсорберов следует отнести сложность обеспечения равномерного поля скоростей газового потока в поперечном сечении аппарата на входе в адсорбционный слой при подаче перерабатываемого газа через расположенный на верхнем днище адсорбера штуцер, площадь сечения которого в 15-50 раз меньше площади поперечного сечения корпуса аппарата. В результате резкого расширения входящей через верхний штуцер струи газа в пространстве над адсорбционным слоем создается неравномерность, при которой поток газа заполняет только часть поперечного сечения, в то время как в остальной части сечения поступательное движение отсутствует.
Известен вертикальный адсорбер для очистки газа от различных компонентов, в частности адсорбер очистки воздуха от летучих растворителей [1, 2], содержащий цилиндрический корпус, снабженный верхней конической крышкой со штуцером для входа сверху перерабатываемой смеси газов вдоль вертикальной оси аппарата, нижним коническим днищем со штуцером для выхода перерабатываемого газа и соответствующими штуцерами на крышке и днище для входа и выхода регенерационного газа, поступающего в адсорбер снизу вверх. Внутри корпуса размещен на опорных решетках неподвижный слой адсорбента. В качестве адсорбентов применяются различные поглотители, имеющие развитую пористую поверхность и способные улавливать целевые компоненты из перерабатываемой газовой смеси. Для интенсификации процесса адсорбции за счет повышения скорости движения газа в слое адсорбента частицы адсорбента могут быть выполнены различной формы: в виде шаров, цилиндрических или тороидальных колец с винтовыми канавками разного профиля [2].
Для предотвращения попадания адсорбента под решетку на нее помещают два слоя сетки или слой кускового гравия. Сверху слой адсорбента покрыт металлической сеткой с установленными на ней грузами из чугунных отливок, фиксирующими сетку, предназначенную для предотвращения уноса адсорбента с регенерационным газом.
В нижнем днище смонтирован барботер для подачи водяного пара для регенерации адсорбента.
Верхний штуцер для входа перерабатываемой смеси газов в его нижней части снабжен направляющим устройством в виде металлического каркаса в форме сужающегося книзу конуса с продольными щелями, боковая поверхность которого обтянута металлической сеткой, а дно конуса заглушено плоским диском-экраном. В направляющем устройстве газовая струя, выходящая из штуцера, набегает на плоский диск-экран, разворачивается на 90 градусов и, перемещаясь по плоскости диска в радиальном направлении, проходит через щели на боковой поверхности конуса и в виде плоской струи с достаточно высокой скоростью движется в радиальном направлении в сторону вертикальной стенки корпуса адсорбера.
Недостатком данного адсорбера является невозможность достижения эффективного выравнивания газового потока в поперечном сечении аппарата на входе в адсорбционный слой с помощью плоского диска-экрана в условиях движения плоской струи в радиальном направлении над слоем адсорбента. Причина неэффективности использования экрана для выравнивания потока газа для случая набегания на плоский экран струи газа может быть объяснена на примере исследования процесса набегания струи газа на плоскую тонкостенную решетку, которая является более эффективным устройством по сравнению с плоским диском-экраном [3, стр.81]. В такой решетке распределение струи газа в рабочей зоне аппарата, несмотря на наличие распределительных отверстий, происходит аналогичным образом. При набегании узкой струи газа на плоскую решетку струя газа растекается радиально, проходит через отверстия, сохраняя радиальную направленность струек, и, двигаясь в виде плоской струи, достигает стенки корпуса аппарата. Достигнув стенки, газовый поток изменяет свое направление на 90 градусов и перемещается вниз вдоль стенки в виде прижатой к стенке кольцевой струи, проникая в слой адсорбента. При этом в центральной части сечения ниже плоской решетки поступательная скорость газа равна нулю. Вследствие турбулентного перемешивания поток газа, подходящий к стенке корпуса, увлекает за собой неподвижную часть газа из центральной части сечения. На освободившееся место из более удаленных от плоской решетки сечений поступают другие порции газа, в результате чего в центральной части сечений под решеткой возникают обратные токи, а профиль скорости газа под плоской решеткой будет иметь «перевернутую» форму по сравнению с начальным профилем потока.
Таким образом, над слоем абсорбента существуют радиальные, или иначе, поперечные потоки газа в виде плоской струи: один прямой, образованный в результате радиального растекания входящей струи газа, движется в верхней части рабочей зоны в сторону стенки корпуса адсорбера, а другой, обратный, перемещается ниже прямого потока вблизи адсорбционного слоя в зону пониженного статического давления, расположенную под диском-экраном.
Учитывая, что поступление газа в слой адсорбента происходит из неравномерно распределенных потоков газа, перемещающихся в поперечном по отношению к слою адсорбента направлении, распределение газа внутри адсорбента оказывается также неравномерным. Это приводит к недоиспользованию поглотительной способности слоя загруженного адсорбента к моменту завершения цикла адсорбции.
Обеспечение равномерного распределения входного потока газа в поперечном сечении адсорбера особенно актуально при осуществлении процессов осушки и очистки углеводородных газов в газовой промышленности, имеющей дело с переработкой больших объемов газа при высоких давлениях, порядка 8,0-10,0 МПа. Для осушки и очистки углеводородных газов используют в качестве адсорбентов цеолиты, силикагели и активную окись алюминия, обеспечивающие осушку газа до точки росы, соответственно, до минус 70°C, 40°C и 60°C.
Известны конструкции адсорберов, используемых на объектах переработки природного газа [4 - с.51, рис.1; 4 - с.52, рис.2; 5 - с.3-8, рис.2], которые в своем составе содержат типовые элементы: вертикальный корпус, верхнее и нижнее эллиптические днища со штуцерами, соответственно, для входа и выхода осушаемой смеси газов. Через эти же штуцеры осуществляется вход и выход регенерационного газа при движении его снизу вверх на стадии регенерации адсорбента. Верхний штуцер для входа исходного газа, установленный на верхнем днище вдоль вертикальной оси корпуса, снабжен распределительным устройством, предназначенным для выравнивания потоков газа в поперечном сечении адсорбера на входе в верхний слой адсорбента. Нижний штуцер также имеет распределительное устройство для выравнивания потоков регенерационного газа при входе его в нижний слой газа. Над нижним штуцером расположено проницаемое для газа опорное устройство, покрытое металлической сеткой, на которой последовательно размещены керамические шары и слой соответствующего требованиям технологии адсорбента. Сверху на слой адсорбента помещена разделительная сетка и слой керамических шаров. Сетка препятствует уносу частиц адсорбента сверху адсорбера с выходящим из аппарата регенерационным газом, а слой керамических шаров способствует выравниванию входящего через верхний штуцер потока газа и обеспечивает фиксацию сетки на слое адсорбента. Сетка, уложенная на опорном устройстве, препятствует попаданию адсорбента под опорное устройство, а слой керамических шаров улучшает распределение потоков регенерационного газа на входе в слой адсорбента.
Адсорберы [4 - с.51, рис.1; 4 - с.52, рис.2; 5 - с.3-8, рис.2] различаются конструкцией применяемых распределительных устройств для выравнивания потока газов, поступающих через верхний штуцер на адсорбцию.
Адсорбер [4 - с.51, рис.1], предназначенный для осушки природного газа с применением цеолита, включает распределительное устройство, содержащее плоский диск-экран, установленный на штуцере с расширительным патрубком для входа исходного газа сверху адсорбера вдоль его вертикальной оси, и слой адсорбента из зерен цеолита, сверху которого через разделительную сетку размещен слой керамических шаров. Недостатком этого адсорбера является невозможность обеспечения условий для равномерного распределения потоков газа в поперечном сечении адсорбера над слоем адсорбента при использовании распределительного устройства с плоским диском-экраном в условиях набегания на плоский диск узкой газовой струи и растекания ее в радиальном направлении с образованием неравномерного поля скоростей газа в рабочей зоне адсорбера, что было рассмотрено при описании адсорбера [1, 2], в котором применен аналогичный диск-экран.
Промышленные обследования адсорбера [4 - с.51, рис.1] и экспериментальные исследования на пилотной модели этого адсорбера подтвердили факт существования неравномерного распределения потока по сечению адсорбера, в результате чего около 30% поглотительной способности загруженного адсорбента не используется к моменту завершения цикла адсорбции.
Наличие в адсорберах слоя керамических шаров, расположенных над адсорбционным слоем через разделительную сетку, при применении направляющего устройства с плоским диском-экраном приводит к появлению дополнительных недостатков, обусловленных интенсивным перемещением потока газа в виде плоской струи над слоем керамических шаров. В связи с тем  что в насыпном слое керамических шаров отсутствуют разграничивающие поверхности, кольцевая плоская струя со стенок корпуса не растекается перед фронтом насыпного слоя, а продолжает свое растекание постепенно вглубь слоя от сечения к сечению с выходом части газа из насыпного слоя в центральную зону с пониженным статическим давлением. Так как керамические шары не скреплены между собой и имеют небольшую массу, проникающий в слой поток газа вовлекает их в движение, вызывая колебания и перемещение с газом. При этом керамические шары газовым потоком вытесняются из пристенных слоев корпуса адсорбера вплоть до обнажения разделительной сетки и выносятся в центральную застойную зону, образуя купол в виде конуса с перемещающимися внутри него шарами. Обнажение защитной сетки приводит к нарушению плотности ее прилегания к слою адсорбента и возможной деформации отдельных звеньев сетки. Это приводит к выносу частиц адсорбента из-под сетки и перемешиванию их с перемещающимися в потоке газа керамическими шарами. Нарушение равномерности распределения слоя керамических шаров на защитной сетке ухудшает распределение газа на входе в адсорбционный слой, а перемешивание между собой керамических шаров и зерен адсорбента приводит к их истиранию с образованием мелких частиц, которые оседают в слое адсорбента, увеличивая его гидравлическое сопротивление.
Известный адсорбер [5 - с.3-8, рис.2], предназначенный для осушки природного газа до проскоковой влажности, соответствует точке росы - минус 30°C при давлении 7,5 МПа, включает распределительное устройство диффузорного типа, установленное на штуцере для центрального входа исходного газа сверху адсорбера вдоль его вертикальной оси.
Внутри корпуса в качестве адсорбента, поглощающего водяные пары, помещен слой мелкопористого силикагеля, поддерживаемый опорным устройством конической формы, на котором размещен муллит-слой керамических шаров, покрытых разделительной сеткой. Сверху основного осушающего слоя мелкопористого силикагеля через разделительную сетку помещен слой крупнопористого силикагеля, предназначенного для защиты основного слоя от капельножидкой фазы, которая может содержаться в поступающем на осушку газе. Для более равномерного распределения исходного газа по сечению слоя адсорбента на защитном слое силикагеля через разделительную сетку размещен слой керамических шаров. Для фиксации шаров в слое с целью снижения их колебаний и перемещений слой шаров покрыт защитной сеткой, прикрепленной к поверхности корпуса адсорбера. Верхний штуцер для входа исходного газа снабжен распределительным устройством диффузорного типа, предназначенным для распределения потоков газа в поперечном сечении адсорбера.
Применение в адсорбере распределительного устройства диффузорного типа не обеспечивает равномерного распределения потока газа в поперечном сечении адсорбера, так как сохраняется резкое расширение исходного потока газа при входе в рабочую зону и растекание его на выходе из диффузора в радиальном направлении над адсорбционным слоем в сторону стенки корпуса с образованием обратных токов газа в зонах с пониженным статическим давлением, в которых отсутствует поступательное движение газа. В данном случае изменяются только профили циркуляционных токов газа, по сравнению с направлениями циркуляционных токов газа при применении плоского диска-экрана. Неудовлетворительные результаты при исследовании распределения потока газа по сечению аппарата до рабочего слоя были получены при применении в качестве распределительного устройства системы из трех кольцевых диффузоров [3, стр.284].
К недостаткам этого адсорбера следует отнести также проблематичность обеспечения надежной фиксации керамических шаров с помощью защитной сетки ввиду сложности обеспечения гарантированного натяжения и плотного прилегания ее к слою шаров, а также трудности крепления слоев сетки из сравнительно тонкой проволоки к поверхности корпуса адсорбера и отдельных звеньев между собой. В процессе эксплуатации адсорбера со временем может происходить ослабление натяжения сетки и разрывы в отдельных звеньях сетки в зонах крепления, что приведет к перемещению шаров вплоть до выноса их из слоя шаров потоком газа с возникновением тех же проблем, которые имеют место в адсорбере [4 - с.51, рис.1].
Известный адсорбер [4 - с.52, рис.2], принятый за прототип, предназначен для осушки природного газа с применением цеолита. Он содержит распределительное устройство, установленное на штуцере с расширительным патрубком для входа исходного газа сверху адсорбера вдоль его вертикальной оси, и слой адсорбента из зерен цеолита, сверху которого размещен через разделительную сетку слой керамических шаров.
Распределительное устройство включает последовательно подсоединенные к патрубку входного штуцера по ходу движения газа два соосных металлических кольца разных диаметров и плоский диск-экран. Кольца выполнены в виде плоского диска с отверстием в центре. Диаметры колец и плоского сплошного диска-экрана уменьшаются сверху вниз последовательно друг за другом, причем их диаметры и расстояния между ними рассчитаны так, что обеспечивают разделение потока газа на три равные части. Дополнительно кольца и диск-экран снабжены с нижней стороны двенадцатью постоянными магнитами.
Применение в адсорбере с верхним входом исходного газа вдоль вертикальной оси аппарата распределительного устройства, содержащего систему из двух последовательно соединенных соосных колец разных диаметров и плоского диска-экрана, позволило несколько улучшить эффективность распределения потока газа в поперечном сечении адсорбера.
Дополнение конструкции кольцевой системы постоянными магнитами дало еще некоторое повышение эффективности работы распределительного устройства.
Однако распределительное устройство из системы двух соосно установленных последовательно друг за другом колец и плоского диска-экрана не может обеспечить достаточно высокую степень равномерности потока в поперечном сечении рабочей зоны адсорбера с верхним входом исходного газа, что и показывают результаты испытаний [4 - с.52, рис.2]. Это можно объяснить тем, что раздача входящей струи газа через верхний штуцер, расположенный вдоль вертикальной оси адсорбера, происходит при значительном расширении потока газа и растекании его в радиальном направлении над адсорбционным слоем в сторону стенки корпуса адсорбера с образованием обратных токов газа в зону, расположенную под диском-экраном. Некоторое улучшение распределения потока газа объясняется делением входящего потока на три части, что приводит к уменьшению скоростей перемещения прямых и обратных токов газа над слоем адсорбента и выравниванию в связи с этим поля скоростей газа в рабочей зоне.
К недостаткам этого адсорбера следует также отнести:
- сравнительно большую высоту распределительного устройства при четырехслойном, с учетом расширительного патрубка входного штуцера, размещении кольцевой системы устройства, что требует необходимости увеличенного надслойного пространства в адсорбере;
- усложнение конструкции распределительного устройства, требующего дополнительных съемных приспособлений для крепления устройства к корпусу адсорбера и крепления постоянных магнитов к кольцам и плоскому диску-экрану.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы адсорбера и эффективности использования поглотительной способности применяемых в промышленности адсорбентов за счет создания условий равномерного распределения потока перерабатываемого газа в поперечном сечении адсорбера с верхним входным штуцером, расположенным вдоль вертикальной оси корпуса, при которых обеспечивается равномерный вход газа в адсорбционный слой, исключающий перемещение и истирание как керамических шаров, размещенных над верхним слоем адсорбента, так и верхнего слоя адсорбента. Поставленная задача достигается тем, что над верхним слоем адсорбента, покрытого через разделительную сетку 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 отверстия. При этом в перфорированной перегородке на площади между коническим стаканом и корпусом адсорбера выполнены отверстия с различными диаметрами и расстояниями между собой.
Расстояние между перфорированной перегородкой и штуцером для входа перерабатываемого газа, высота, диаметр и угол наклона конической части стакана, число отверстий, их диаметры и расстояния между отверстиями в перфорированной перегородке на площади между коническим стаканом и корпусом адсорбера, а также на дне конического стакана при принятом диаметре корпуса адсорбера определяется расходом и давлением перерабатываемого газа.
В предлагаемом изобретении одним из составных элементов технического решения для выравнивания потока газа на входе в адсорбционный слой является горизонтальная перфорированная перегородка - плоская решетка, обладающая выравнивающим действием с помощью рассредоточенных по ее сечению отверстий, создающих сопротивление прохождению потока газа. Однако в силу специфических свойств плоской решетки, что было рассмотрено выше, в условиях полной неравномерности потока, т.е. в случае набегания на нее узкой струи газа, плоская решетка не способна обеспечить равномерное распределение потока в поперечном сечении аппарата. Так как причиной существования неравномерности потока газа в поперечном сечении адсорбера в рабочей зоне перед адсорбционным слоем является радиальное растекание потока газа, обусловленное прохождением струек газа через отверстия решетки под значительным наклоном к поверхности решетки, то задача устранения радиального растекания потока газа и исключения «перевертывания» профиля скорости состоит в максимальном уменьшении доли поперечных составляющих и, соответственно, увеличении доли нормальных составляющих скоростей газовых струй при прохождении их через отверстия решетки. С учетом механизма растекания потока газа при взаимодействии узкой струи с плоской решеткой и факторов, влияющих на этот механизм, предложены технические решения для обеспечения такого режима растекания потока, при котором происходит достаточно равномерное распределение газа в рабочей зоне адсорбера перед адсорбционным слоем. Получение нужного эффекта достигается в результате постепенного расширения потока газа с обеспечением равномерного заполнения всего пространства над адсорбционным слоем газом без застойных зон, в результате чего резко снижается скорость поперечного перемещения потока над перфорированной перегородкой. При этом значительно улучшаются условия входа струек газа в отверстия перегородки.
Первоначальное расширение и, следовательно, снижение скорости струи газа, выходящей из входного штуцера, осуществляется за счет увеличения расстояния между нижним обрезом верхнего штуцера и перфорированной перегородкой, которая установлена вблизи адсорбционного слоя, покрытого слоем керамических шаров. Последующее расширение потока и, соответственно, снижение его скорости происходит при набегании струи газа на расширяющийся кверху конический стакан, установленный в центральной части перфорированной перегородки, который предотвращает непосредственное набегание струи газа на перфорированную перегородку и растекание ее в виде плоской струи в радиальном направлении в сторону стенки корпуса, приводящее к неравномерному распределению потока. Конический стакан выполняет роль направляющего экрана, который формирует направление радиального растекания набегающей на него струи газа вверх под углом в сторону стенки корпуса адсорбера в виде радиальной расширяющейся плоской струи.
Схему распределения потока газа в верхней зоне адсорбера над распределительной, кольцевой перфорированной перегородкой с коническим стаканом получают на основе компьютерной программы расчета газодинамических процессов течения рабочих сред. С помощью компьютерного моделирования геометрических параметров конического стакана и набора отверстий в перфорированной перегородке при принятых конструктивных параметрах адсорбера для данного расхода и давления газа находят режим течения потока газа, при котором обеспечивается его равномерное распределение на входе в адсорбционный слой. Получаемый режим течения газа в верхней зоне адсорбера над перфорированной перегородкой с коническим стаканом отслеживается путем получения визуальной общей картины распределения потока или графическим методом по распределению струек газа в поперечном сечении аппарата на выходе из перфорированной перегородки. Получаемая на компьютере схема распределения потока газа в верхней зоне адсорбера представлена на фиг.4.
Достигнув стенки корпуса, расширяющаяся струя разворачивается и делится на два потока, которые продолжают передвигаться в двух направлениях.
Один поток, расширяясь, передвигается вверх вдоль стенки корпуса, а затем - вдоль стенки верхнего днища до соприкосновения в центре адсорбера с движущейся вниз газовой струей. Газовая струя, имея более высокую скорость за счет эффекта эжекции, увлекает за собой поток газа, поднимающийся вверх, заставляя его разворачиваться и двигаться в обратном направлении. Эжектирование масс газа из поднимающегося вверх потока происходит на протяжении всего пути его перемещения. В результате, в верхней зоне адсорбера с нижней границей по линии кольцевой струи газа образуется циркуляционный контур с достаточно равномерно распределенными токами газа без застойных участков.
Другой поток, расширяясь, движется вниз вдоль стенки корпуса и на границе с адсорбционным слоем разворачивается и перемещается вдоль него к коническому стакану до соприкосновения со струей, выходящей из конического стакана. Газовая струя эжектирует подходящие к стакану газовые массы и увлекает в свое движение вверх под углом к оси адсорбера в сторону вертикальной стенки корпуса. В результате, в нижней зоне адсорбера с верхней границей по линии радиальной струи газа образуется второй циркуляционный газовый контур с достаточно равномерно распределенными токами газа без застойных участков.
Таким образом, применение расширяющегося кверху конического стакана, установленного в центре перфорированной перегородки, позволяет значительно повысить степень равномерности потока газа во всем объеме адсорбера, расположенном выше перфорированной перегородки в виде двух циркуляционных газовых контуров, которые перемещаются совместно с кольцевой струей, выходящей из конического стакана, в сторону стенки корпуса адсорбера. На подходе к стенке корпуса общий поток газа делится на два потока, которые передвигаются в противоположном направлении друг от друга, каждый по своему контуру до следующего соединения между собой.
В результате значительного расширения исходного газа при равномерном распределении потока во всем объеме пространства адсорбера над перфорированной перегородкой обеспечивается значительное снижение скорости движения потоков, перемещающихся широким фронтом по замкнутым контурам.
Поступление в этом случае газа в адсорбционный слой через отверстия в перфорированной перегородке происходит из равномерно распределенного потока, который перемещается над перфорированной перегородкой широким фронтом при значительно уменьшенной скорости. Это улучшает условия входа струек газа в отверстия перегородки и позволяет повысить равномерность распределения потока газа в адсорбционном слое. Для повышения степени выравнивания потока, поступающего на перегородку, она снабжена неравномерно распределенными по сечению отверстиями. Число отверстий, их диаметры и расстояния между ними определяются в зависимости от степени неравномерности поля скоростей потока газа, поступающего на перфорированную перегородку.
Пример 1. Адсорбер с применением в качестве адсорбента цеолита. На фиг.1 схематично показан предлагаемый адсорбер вертикального типа с неподвижным слоем адсорбента, продольный разрез: на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.1; на фиг.4 - схема распределения потока газа в верхней зоне адсорбера.
Конструкция предлагаемого адсорбера с неподвижным слоем адсорбента включает вертикальный корпус 1, штуцер 2 для входа перерабатываемого газа, установленный по оси верхнего днища корпуса, штуцер 3 для выхода перерабатываемого газа, который установлен по оси нижнего эллиптического днища и снабжен устройством 4 для распределения потока газа, выполненным в виде заглушенной сверху плоским диском трубы с продольными щелями, обтянутыми металлической сеткой, люки-лазы 5, 6 для обслуживания адсорбера. В нижней части корпуса смонтировано опорное устройство, содержащее опорную решетку 7 из съемных секций, съемные опорные балки 8 и опорное кольцо 9, приваренное к корпусу. На решетке, покрытой металлической сеткой 10, последовательно друг за другом размещены слой керамических шаров 11 диаметром 20 мм, слой керамических шаров 12 диаметром 6 мм, слой цеолита 13, обеспечивающий осушку природного газа до степени остаточной влажности, соответствующей точке росы минус 70°C, защитный слой 14 из частиц алюмогеля диаметром 8 мм, предназначенный для поглощения капельножидкой фазы, которая может содержаться в поступающем на осушку газе, и через разделительную сетку 15 - слой керамических шаров 16.
Над слоем керамических шаров 16 размещена горизонтальная кольцевая перфорированная перегородка 17, перекрывающая поперечное сечение корпуса адсорбера. Центральная часть выполнена в форме расширяющегося кверху конического стакана 18. В основании конического стакана предусмотрены отверстия 19 для выравнивания перепада давлений газа в сечениях над перфорированной перегородкой и ниже ее в зоне основания стакана. С целью повышения равномерности распределения газа по всей поверхности слоя адсорбента в перфорированной перегородке на площади от конического стакана до корпуса адсорбера выполнено соответствующее число отверстий 20 с разными диаметрами и расстояниями между ними. Перфорированная перегородка опирается на опорное кольцо, которое приварено к обечайке корпуса адсорбера. Перегородка выполнена из отдельных съемных секций 21, прикрепленных к опорным кольцам с помощью болтовых соединений 22. Монтаж и демонтаж секций перегородки производится через люк-лаз 5, который используется также для загрузки адсорбента. Выгрузка адсорбента осуществляется через люк-лаз 6.
Адсорбер работает следующим образом. Исходный поток газа поступает на осушку в адсорбер через штуцер 2, из которого в виде газовой струи движется вниз и набегает на дно конического стакана 18. Растекаясь по стакану в радиальном направлении, газовая струя перемещается под углом к поперечному сечению корпуса, зависящим от угла наклона конической поверхности стакана, в виде кольцевой радиальной струи в сторону вертикальной стенки цилиндрического корпуса 1. Достигнув стенки корпуса, расширяющая радиальная струя разворачивается, образуя два потока, один из которых движется, расширяясь вверх вдоль стенки корпуса и верхнего днища, другой перемещается вниз вдоль стенки корпуса, а затем после поворота - вдоль поверхности плоской перфорированной перегородки в направлении конического стакана. При своем перемещении потоки соприкасаются со струями газа, которые увлекают их в свое движение. В результате, в верхней зоне адсорбера над перфорированной перегородкой образуются два циркуляционных контура с равномерно распределенными токами газа без застойных участков во всем объеме верхней зоны.
За счет того, что поток газа нижнего циркуляционного контура перемещается над перфорированной перегородкой равномерно распределенным широким фронтом при значительно уменьшенных скоростях, создаются благоприятные условия входа струек газа в отверстия перегородки.
Дополнительно повышение степени выравнивания потока газа происходит при прохождении струек газа через отверстия 20 в перфорированной перегородке. В зависимости от степени неравномерности поля скоростей в потоке газа, поступающего на перегородку, выравнивающие отверстия на ней выполнены с разной степенью живого сечения на различных ее участках, или иначе, с разным числом отверстий, их диаметров и расстояний между ними. После прохождения через отверстия перегородки выровненный поток газа продолжает свое движение сверху вниз, проходя последовательно через слой керамических шаров 16, слой цеолита 13, слой керамических шаров 12 диаметром 6 мм, слой керамических шаров 11 диаметром 20 мм и опорную решетку 7, и выходит из адсорбера через распределительное устройство 4 и штуцер 3. После насыщения влагой цеолита подача влажного газа прекращается, и адсорбер переключается на работу в режиме регенерации - удаления водяных паров из слоя цеолита при движении регенерационного газа в обратном направлении снизу вверх путем ввода газа регенерации через штуцер 3 и удаления его через штуцер 2.
Благодаря равномерному распределению потока газа по всему сечению адсорбера выровненный поток газа после перфорированной перегородки входит плавно в слой керамических шаров и равномерно в нем распределяется. При этом обеспечивается устойчивое положение керамических шаров в слое без выноса их из слоя с газовым потоком, что позволяет использовать слой керамических шаров не только для фиксации сетки на слое адсорбента, но и для повышения равномерности распределения потока газа в адсорбционном слое. В результате поэтапного выравнивания потока газа перед входом его в адсорбционный слой и равномерного распределения потока в слое адсорбента значительно повышается степень использования поглотительной способности адсорбента, загруженного в аппарат. К тому же, исключаются неполадки в работе адсорбера, связанные с выносом керамических шаров из слоя потоком входящего через верхний штуцер газа. Дополнительным преимуществом предлагаемого адсорбера является то, что размещенная над верхним слоем адсорбента, покрытого слоем керамических шаров, перфорированная перегородка с отверстиями разных диаметров и разных расстояний между ними, центральная часть которой выполнена в форме расширяющегося кверху конического стакана, достаточно проста в изготовлении, занимает мало места в надслойном пространстве адсорбера, удобна для монтажа и демонтажа внутри адсорбера через люк-лаз, так как выполнена из отдельных съемных секций.
Оснащение адсорбера кольцевой перфорированной перегородкой с отверстиями разных диаметров и расстояний между ними, перекрывающей поперечное сечение корпуса аппарата, центральная часть которой выполнена в форме расширяющегося кверху конического стакана, позволяет обеспечить равномерность поступления в адсорбционный слой потока газа с верхним входом в вертикальных адсорберах, отличающихся геометрическими размерами, расходом и давлением перерабатываемого газа. Это достигается подбором соответствующих геометрических размеров конического стакана, угла наклона, высоты, диаметра на перфорированной, кольцевой перегородке и необходимого набора отверстий на перегородке методом компьютерного моделирования течения потока газа в конкретном адсорбере с принятыми диаметрами корпуса аппарата и верхнего входного штуцера, а также расстояния от верхнего штуцера до слоя керамических шаров, размещенных сверху адсорбционного слоя, с учетом расхода и давления перерабатываемого газа.
Пример 2. Адсорбер с применением в качестве адсорбента силикагеля (слой силикагеля 13 на фиг.1).
Пример 3. Адсорбер с применением в качестве адсорбента активного угля (слой активного угля 13 на фиг.1).
Пример 4. Адсорбер с применением в качестве адсорбента окиси алюминия (слой окиси алюминия 13 на фиг.1).
Приведенные в качестве примеров адсорберы работают согласно описанию схем фиг.1-3, в соответствии с которыми обеспечивается главное условие - равномерность распределения исходного газа в поперечном сечении адсорбера.
Зависимость степени равномерности распределения исходного газа в поперечном сечении адсорбера от расхода и давления перерабатываемого газа и необходимости подбирать для конкретных значений расходов и давлений соответствующие геометрические размеры конического стакана на кольцевой перфорированной перегородке и наборе отверстий на ней для достижения необходимой равномерности потока объясняется отсутствием обоснованных методов выбора критериев для создания адсорберов с идентичными показателями равномерности распределения потока входящего газа.
Адсорберы относятся к нетиповым видам оборудования. Они изготавливаются по индивидуальным проектам. Определение многих характерных величин, влияющих на степень равномерности распределения потока газа с верхним входом в аппарат, вычисляют на основе практических рекомендаций.
К основным величинам, влияющим на распределение потока газа в поперечном сечении адсорбера, относятся:
- отношение площадей поперечного сечения корпуса адсорбера и штуцера входа газа сверху аппарата;
- скорость струи газа, выходящей из верхнего штуцера;
- отношение высоты пространства над слоем адсорбента, покрытого слоем керамических шаров, к диаметру корпуса адсорбера.
г
г
Скорость газа W в штуцере, принимают в соответствии с рекомендуемыми скоростями в зависимости от плотности газа p по формуле:
шт
г
г
Диаметр входного штуцера d определяется в зависимости от расхода газа V и скорости газа W:
Окончательно диаметр штуцера принимают с учетом допустимого гидравлического сопротивления и ближайшего диаметра труб, выпускаемых промышленностью.
ад
г
Скорость газа в адсорбере W принимают в соответствии с рекомендуемыми скоростями в зависимости от плотности газа p по формуле:
ад
Диаметр корпуса адсорбера D определяют по зависимости (2).
ад
Окончательно диаметр адсорбера D принимают с учетом допустимого гидравлического сопротивления слоя адсорбента и ближайшего диаметра цилиндрического корпуса, выпускаемого промышленностью.
В соответствии с этими зависимостями проведены расчеты характеристик адсорберов для различных расходов и давлений природного газа, результаты которых приведены ниже:
Характеристики
вариант 1
вариант 2
вариант 3
вариант 4
V<sub>г</sub>, м<sup>3</sup>/с
0,408
0,235
0,466
0,906
ρ<sub>г</sub>, кг/м<sup>3</sup>
81
81
41
41
d<sub>шт</sub>, мм
300
250
300
400
D<sub>ад</sub>, мм
2600
1800
2000
2800
W<sub>г</sub>, м/с
5,8
4,5
6,6
7,2
F<sub>ад</sub>/F<sub>шт</sub>
75
29
44
49
W<sub>ад.доп.,</sub> м/с
0,11
0,11
0,16
0,156
W<sub>ад.paб.,</sub> м/с
0,083
0,093
0,148
0,147
ад
шт
Анализ результатов расчета показывает, что скорость набегания струи газа, выходящей из внешнего штуцера на конический стакан кольцевой перфорированной перегородки, и отношений площадей поперечного сечения корпуса адсорбера и верхнего штуцера F/F заметно отличаются в аппаратах разных диаметров в зависимости от значений расхода и давления перерабатываемого газа. Также, в разных адсорберах, диаметр которых зависит от расхода и давления газа, сильно отличаются отношения высоты надслойного пространства и диаметра корпуса аппарата из-за необходимости обеспечения достаточной высоты для размещения люк-лаза для проведения монтажа и демонтажа внутренних устройств рабочим персоналом, а также работ по загрузке и выгрузке адсорбера. Например, с учетом объема верхнего днища при изменении диаметра корпуса адсорбера от 2800 мм до 1200 мм относительная высота надслойного пространства к диаметру корпуса меняется от 0,68 до 1,58.
Результаты этих расчетов лишний раз указывают на сложность универсального, конструктивного решения для применения в адсорберах различных размеров с учетом расхода и плотности перерабатываемого газа для обеспечения в них идентичного, равномерного распределения потока газа в поперечном сечении аппарата. Этим объясняется наличие большого числа различных взаимозаменяемых устройств для выравнивания потока газа в поперечном сечении аппарата, описанных в литературных источниках [3] и в приведенных аналогах в данном описании.
Применение в адсорбере кольцевой, перфорированной перегородки с набором соответствующих отверстий, снабженной расширяющимся к верху коническом стаканом, позволяет обеспечить равномерность раздачи газового потока в адсорбционный слой в вертикальных адсорберах различных размеров с учетом расхода и плотности газового потока с использованием компьютерного моделирования на основе программы расчета газодинамических процессов течения рабочих сред.
В соответствии с предлагаемым изобретением разработан адсорбер для осушки попутного нефтяного газа для газоперерабатывающего завода на одном из северных месторождений газа.
Техническая характеристика адсорбера:
Давление газа - 8 МПа;
Расход перерабатываемого газа - 169284 кг/ч;
Диаметр корпуса адсорбера - 2600 мм;
Высота адсорбера - 13800 мм;
Высота слоя адсорбента - 5300 мм;
Тип адсорбента - цеолит;
Диаметр входного штуцера - 500 мм;
Расстояние между перфорированной перегородкой и верхним входным штуцером - 1900 мм;
Диаметр нижнего основания конического стакана - 600 мм;
Диаметр верхнего основания конического стакана - 900 мм;
Общее число отверстий разных диаметров в диапазоне от 24 мм до 38 мм в перфорированной перегородке на площади между коническим стаканом и корпусом адсорбера - 1680 шт.;
Число отверстий с диаметром 16 мм на нижнем основании конического стакана - 36 шт.
Адсорбер введен в эксплуатацию. Параметры работы адсорбера соответствуют требованиям технического регламента производства.
На фиг.4 представлена схема распределения потока газа в верхней зоне внедренного адсорбера, полученная методом компьютерного моделирования на основе компьютерной программы расчета газодинамических процессов течения рабочих сред.
Предлагаемая изобретением конструкция адсорбера обеспечивает повышение надежности его работы и увеличение эффективности использования поглотительной способности слоя адсорбента.
Источники информации
1. Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. - М.: Высшая школа, 1969 г. - 414 с. - Стр.175, рис.66, - вертикальный адсорбер ВТР.
2. Патент РФ №2354441, кл. B01D 53/02, опубл. - Бюл. №13 от. 10.05.2009 г.
3. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1983 - 351 с.
4. Искалиева С.К., Пивоварова Н.А. и др. Увеличение срока службы адсорбента на установках осушки обессеренного газа. Газовая промышленность. - 2012, - №1, - с.51, рис.1; с.52, рис.2 (прототип).
5. Ремизов В.В., Зайнуллин В.Ф., Чугунов Л.С., Михайлов Н.В. - Особенности работы установок адсорбционной осушки газа на месторождениях крайнего Севера. Серия: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. Обз. Инф. - М. - ИРЦ Газпром, 1995. - С.3-8, рис.2.