АДСОРБЕР ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
ADSORBER FOR GAS CLEANING

Изобретение относится к оборудованию для адсорбционной очистки газов от примесей, в частности, углеводородных газов от воды, углекислого газа, сероводорода и других компонентов, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.
Одной из особенностей технологии очистки газов является частое присутствие в них твердых частиц (запыленный газ) или капельной жидкости (аэрозоль).
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). Основными недостатками адсорбера являются:
- 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 (Адсорбер: пат. 2305003 Рос. Федерация. №2005126825/15; заявл. 25.08.05; опубл. 27.02.07). Недостатками данного патента являются:
- 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 (Адсорбер: свидетельство №141495, Рос. Федерация. №2013143430/05; заявл. 25.09.2013, опубл. 10.06.2014). Недостатками данного патента являются:
- 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 (Адсорбер вертикальный с неподвижным слоем адсорбента: заявка 2012134380 Рос. Федерация; заявл. 10.08.2012; опубл. 20.02.2014). Недостатками данного изобретения являются:
- 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.
Известен также 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 (Вертикальный адсорбер Кочетова: пат. 2508932 Рос. Федерация. №2013115215/05; заявл. 05.04.2013; опубл. 10.03.2014). Недостатками данного патента являются:
- 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;
1
1
- отношение высоты Η цилиндрической части корпуса к его диаметру D находится при соотношении величин H/D=0,73…1,1 и отношение высоты слоя адсорбента H к высоте H цилиндрической части корпуса при соотношении величин: H/H=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 общий существенный недостаток: при наличии твердых и жидких частиц в потоке очищаемого газа (а подобная ситуация, например, характерна в тех случаях, когда углеводородный газ до адсорбционной осушки подвергается абсорбционной очистке от сернистых соединений с использованием в качестве абсорбента водного раствора аминов - очищенный углеводородный газ содержит взвесь микроскопических капель абсорбента и с ними далее поступает в адсорбер для осушки газа селективными адсорбентами, обычно силикагелем или цеолитами в зависимости от достижения необходимой точки росы осушенного газа) частицы беспрепятственно проникают в слой адсорбента. При этом жидкие частицы пропитывают гранулы адсорбента, снижая его адсорбционную активность, если эти частицы имеют органическое происхождение, то в ходе регенерации адсорбента при высокой температуре адсорбированные органические частицы подвергаются реакциям полимеризации и поликонденсации, что приводит к необратимой дезактивации адсорбентов при их многоцикловой работе. Твердые частицы закупоривают полностью или частично мелкие транспортные поры между гранулами адсорбента, что в обоих случаях приводит росту диффузионного сопротивления при адсорбции и повышению гидравлического сопротивления слоя адсорбента, что особенно важно при использовании адсорбента при очистке отходящих газов с минимальным избыточным давлением. Все рассмотренные факторы приводят к снижению активности адсорбента и уменьшению продолжительности стадии адсорбции, что ухудшает экономические показатели процесса адсорбционной очистки газов.
При создании изобретения ставилась задача разработки конструкции адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, обеспечивающей надежную эксплуатацию аппарата в условиях очистки газов, содержащих твердые частицы и/или капельную жидкость, способных концентрироваться в слое адсорбента и вызывать его дезактивацию.
Поставленная задача решается за счет того, что в адсорбере для очистки газов, включающем цилиндрический корпус с верхним и нижним днищами, в котором размещается один или несколько слоев адсорбента, каждый из которых размещается между нижней и верхней распределительными решетками, каждая из которых укладывается на опорные колосниковые решетки, штуцера ввода очищаемого газа и вывода очищенного газа, штуцера ввода и вывода газа регенерации, системы установки датчиков температуры и давления, люки для загрузки и выгрузки адсорбента, люки-лазы, нижняя распределительная решетка под первым по ходу потока очищаемого сырья слоем адсорбента выполнена из горизонтально расположенной сетки Джонсона, либо из сплошного или перфорированного листа с круглыми отверстиями, кромки которых сопряжены с вертикальными стаканами из сетки Джонсона, дно которых выполнено из сплошного листа или из сетки Джонсона, и которые заглублены в слой адсорбента, верхняя распределительная решетка над последним по ходу потока очищаемого сырья слоем адсорбента выполнена из горизонтально расположенной сетки Джонсона или сплошного или перфорированного листа с круглыми отверстиями, кромки которых сопряжены с вертикальными стаканами из сетки Джонсона, дно которых выполнено из сплошного листа или из сетки Джонсона, и которые выходят за пределы слоя адсорбента, остальные распределительные колосниковые решетки выполнены из горизонтально расположенной сетки Джонсона или сплошного или перфорированного листа с круглыми отверстиями. Сетка Джонсона выполняется из металла и представляет собой проволоку трапециевидной формы, закрепленную на несущих стержнях с микроскопическим зазором между смежными проволоками, что делает сетку Джонсона универсальным фильтрующим элементом для улавливания капельных и твердых частиц из потока газа. Наличие на горизонтально расположенной сетке Джонсона вертикальных стаканов из сетки Джонсона, заглублены в слой адсорбента, позволяет в несколько раз увеличить поверхность фильтрации газов (газовое сырье очистки, поступающее в слой адсорбента с низа адсорбера, и газ, подаваемый для регенерации адсорбента, поступающий в слой адсорбента с верха адсорбера). При этом твердые и капельные примеси, находящиеся в газовом сырье очистки будут удерживаться на внутренней стороне вертикальных стаканов из сетки Джонсона нижней распределительной решетки, не соприкасаясь с адсорбентом, а микрочастицы гранул адсорбента, обычно выносимые из адсорбера с потоком очищенного газа будут удерживаться на внутренней стороне вертикальных стаканов из сетки Джонсона верхней распределительной решетки. Наличие сопряжения верхнего днища адсорбера с корпусом при помощи фланцевого соединения обеспечивает разъемность конструкции аппарата в верхней его части, что упрощает загрузку адсорбента раз в два года во время капитального ремонта установки.
Целесообразно, чтобы при диаметре d вертикальных стаканов из сетки /Джонсона их высота составляла не меньше h, при расстоянии между осями соседних вертикальных стаканов b, при этом
h=(0,5)*(b-d)*tg(π-α),
где α - угол раскрытия факела газового потока, выходящего из вертикального стакана, который определяется расходом потока газа, его скоростью и давлением. Так, например, при величине α=450 поверхность фильтрации увеличивается на 10%, а при величине α=200 поверхность фильтрации увеличивается на 63%, не зависимо от величины b и d.
Целесообразно, чтобы под вертикальными стаканами из сетки Джонсона, расположенных на нижней распределительной решетке, дополнительно были установлены приемники, сообщающиеся перетоками с емкостью сбора дренажного продукта, размещаемой в нижнем днище. Тогда в начале процесса регенерации адсорбента потоком газа регенерации, проходящем через слой адсорбента сверху вниз, твердые и капельные примеси, извлеченные из газового сырья очистки и удерживаемые на внутренней поверхности вертикальных стаканов из сетки Джонсона нижней распределительной решетки будут отдуваться от поверхности сетки Джонсона и осаждаться в приемниках, перемещаясь далее по перетокам в емкость сбора дренажного продукта, не соприкасаясь с адсорбентом, а микрочастицы гранул адсорбента, обычно выносимые из адсорбера с потоком очищенного газа будут удерживаться на внутренней поверхности вертикальных стаканов из сетки Джонсона верхней распределительной решетки. Аналогично микрочастицы гранул адсорбента, удерживаемые на внутренней стороне вертикальных стаканов из сетки Джонсона верхней распределительной решетки потоком газа регенерации, будут возвращаться в слой адсорбента.
Целесообразно также, чтобы распределительные решетки были выполнены разборными и из перфорированного листа с круглыми отверстиями, имеющими диаметр отверстий меньше диаметра гранул адсорбента.
Целесообразно, чтобы различные слои адсорбента сорбировали различные примеси из очищаемого сырья.
Целесообразно, чтобы емкость сбора дренажного продукта сообщалась с дополнительным штуцером отвода дренажного продукта с дренажным вентилем, закрепленным на нижнем днище, что позволяет по мере накопления дренажного продукта в емкости сбора дренажного продукта отводить дренажный продукт из адсорбера.
Целесообразно также в нижнем днище адсорбера для очистки газов установить датчик уровня продукта в емкости сбора дренажного продукта, который является радарным устройством, обеспечивающем автоматическое регулирование сброса дренажного продукта.
На фигуре 1 представлена конструкция адсорбера для очистки газов, состоящая из одного слоя адсорбента и включающая следующие элементы:
1 - цилиндрический корпус;
2 - верхнее днище;
3 - нижнее днище;
4 - штуцер ввода очищаемого газа;
5 - штуцер вывода очищенного газа;
6 - штуцер ввода газа регенерации;
7 - штуцер вывода газа регенерации;
8 - нижняя распределительная решетка;
9 - верхняя распределительная решетка;
10 - слой адсорбента;
11 - люк для выгрузки адсорбента;
12 - люк-лаз;
13 - вертикальные стаканы из сетки Джонсона;
14 - опорная колосниковая решетка;
15 - приемники;
16 - перетоки;
17 - емкость сбора дренажного продукта;
18 - дополнительный штуцер отвода дренажного продукта;
19 - дренажный вентиль;
20 - датчик уровня продукта;
21 - люк для загрузки адсорбента;
22 - нижняя распределительная решетка верхнего слоя адсорбента;
23 - верхняя распределительная решетка нижнего слоя адсорбента;
24 - круглое отверстие;
25 - дно вертикального стакана из сетки Джонсона;
26 - распределительная решетка.
Адсорбер для очистки газов согласно фигуре 1 представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса 1 с верхним и нижним днищами 2 и 3, люка для выгрузки адсорбента 11, датчика уровня продукта 20, люк-лаза 12, предназначенного для ремонтных и проверочных работ и дренажного вентиля 19 и системы установки датчиков температуры и давления (на фиг. 1 не показано).
При осушке газов работа адсорбера для очистки газов осуществляется в двух режимах: режим адсорбции и режим десорбции. Процесс адсорбции проводится следующим образом: исходная смесь (очищаемый газ) подается через штуцер ввода очищаемого газа 4, расположенного в нижнем днище 3 адсорбера для очистки газов, после ее прохождения через опорную колосниковую решетку 14, на которой уложена нижняя распределительная решетка 8, выполненная из горизонтально расположенной сетки Джонсона с вертикальными стаканами из сетки Джонсона 13, заглубленными в слой адсорбента 10, очищаемый газ попадает в слой адсорбента 10, где происходит поглощение компонентов из очищаемого газа, при этом постепенно происходит насыщение адсорбента извлекаемой примесью. В представленной на фигуре 1 конструкции адсорбера для очистки газов в нижней части предусмотрены вертикальные стаканы из сетки Джонсона 13, расположенные на нижней распределительной решетке 8 и погруженные в слой адсорбента 10, а в верхней части аппарата вертикальные стаканы из сетки Джонсона 13 расположены над верхней распределительной решеткой 9, соответственно, над слоем адсорбента.
Трапециевидная форма проволоки, из которой состоит сетка Джонсона, имеет большее основание, сопряженное с несущими стержнями и меньшее основание, обращенное к поступающему потоку очищаемого газа. Поэтому твердые частицы и капли аэрозоля, находящиеся в очищаемом газе, и пылинки адсорбента, выносимые очищенным газом из слоя адсорбента 10, удерживаются на внутренней поверхности стаканов из сетки Джонсона 13, расположенных, соответственно, на нижней и верхней распределительных решетках 8 и 9.
Процесс адсорбционной очистки газа ведут до тех пор, пока слой адсорбента 10 не насытится до определенной степени и содержание извлекаемой примеси в очищенном газе не достигнет предельно допустимой величины - с этого момента стадия адсорбции считается завершенной, и подача очищаемого газа прекращается. После прохождения слоя адсорбента 10, очищенный газ выводится через штуцер вывода очищенного газа 5, расположенного в верхнем днище 2 адсорбера для очистки газов. После насыщения слоя адсорбента 10 наступает стадия десорбции, заключающаяся в восстановлении слоя адсорбента с использованием газа регенерации. Процесс десорбции проводят следующим образом: через штуцер ввода газа регенерации 6 осуществляется его подача через верхнюю распределительную решетку 9 и вертикальные стаканы из сетки Джонсона 13 в слой адсорбента 10. В первые моменты подачи газа регенерации часть его может конденсироваться в нижней части слоя адсорбента 10, при этом конденсат вместе с твердыми и капельными примесями, удерживаемыми на внутренней поверхности вертикальных стаканов из сетки Джонсона 13 нижней распределительной решетки 8, осаждается в приемниках 15, далее, перемещаясь через перетоки 16, попадает в емкость сбора дренажного продукта 17, после которой конденсат отводится через дополнительный штуцер отвода дренажного продукта 18, а газ регенерации выводится из аппарата через штуцер вывода газа регенерации 7.
При отсутствии конденсации газа регенерации на выходе из слоя адсорбента 10 (например, газ регенерации - инертный газ) газ регенерации отбивает твердые и капельные примеси, удерживаемые на внутренней поверхности вертикальных стаканов из сетки Джонсона 13 нижней распределительной решетки 8, далее эти примеси осаждаются в приемниках 15 и, перемещаясь через перетоки 16, попадают в емкость сбора дренажного продукта 17, после которой конденсат отводится через дополнительный штуцер отвода дренажного продукта 18, а газ регенерации выводится из аппарата через штуцер вывода газа регенерации 7.
Опорожнение емкости сбора дренажного продукта 17 выполняется через дренажный вентиль 19 дополнительного штуцера отвода дренажного продукта 18 по сигналу датчика уровня продукта 20.
На фигуре 2 представлена конструкция адсорбера для очистки газов, состоящая из нескольких слоев адсорбента. Адсорбер для очистки газов, представленный на фигуре 2, работает аналогично адсорберу, представленному на фигуре 1.
Использование нескольких слоев адсорбента позволяет сорбировать различные примеси из очищаемого сырья. Отличительной особенностью от адсорбера для очистки газов с одним слоем, представленного на фигуре 1, является наличие дополнительного люка для выгрузки адсорбента 11 и дополнительных распределительных решеток: нижняя распределительная решетка верхнего слоя адсорбента 22 и верхняя распределительная решетка нижнего слоя адсорбента 23.
На фигуре 3 представлено расположение опорной колосниковой решетки 14, распределительной решетки 26 и вертикального стакана из сетки Джонсона 13, при этом распределительная решетка 26 установлена на опорной колосниковой решетке 14 и выполнена из перфорированного листа с круглым отверстием для стакана из сетки Джонсона 13, дно которого выполнено из сплошного листа.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки конструкции адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, обеспечивающей надежную эксплуатацию аппарата в условиях очистки газов, содержащих твердые частицы и/или капельную жидкость, способных концентрироваться в слое адсорбента и вызывать его дезактивацию