Устройство для осушки газа

Полезная модель относится к области газовой, нефтяной, химической и других отраслей промышленности и может быть использовано для промышленной адсорбции газов или паров.
Известно устройство для подготовки газов, содержащее два параллельно установленных адсорбера, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным устройством, первый - для адсорбции, а другой - для десорбции, холодильную машину, причем в качестве холодильной машины установлена холодильная машина, оборудованная компрессором, теплообменное устройство, совмещенное с первым адсорбером, соединено с компрессором, а компрессор - с теплообменным устройством, совмещенным с другим адсорбером, оснащенным линией подачи в него очищенного газа [RU 2456059, дата публикации: 20.10.2011 г., МПК B01D 53/04].
Недостатком известного устройства является то, что охлаждение адсорберов производят с помощью специального устройства - холодильной машины. Также согласно известному устройству предполагается использование теплоносителя и блока его подготовки и системы подачи теплоносителя. При этом использование дополнительных устройств значительно снижает надежность устройства осушки газа. Кроме того, наблюдается недостаточная эффективность регенерации адсорберов из-за неравномерного нагрева адсорбента внутри адсорбера.
В качестве прототипа было выбрано устройство для осушки и очистки сжатого газа, включающее два адсорбера, каждый из которых содержит вертикально ориентированный корпус с цилиндрической стенкой, крышкой и днищем, и входной и выходной патрубки с размещенными в них фильтрующими элементами, при этом корпус каждого адсорбера заполнен адсорбентом, а на наружной поверхности стенки корпуса закреплены нагревательные элементы, закрытые теплоизолирующим кожухом, причем оба адсорбера установлены соосно и зеркально друг другу, разделены поперечной теплоизолирующей перегородкой и расположены внутри общего теплоизолирующего кожуха с верхним и нижним торцевыми фланцами, при этом входной и выходной патрубки в каждом адсорбере расположены в крышке его корпуса, между корпусом и крышкой каждого адсорбера установлена ступица с центральным и периферийными отверстиями, в центральном отверстии ступицы каждого адсорбера установлена труба, один конец которой соединен с входным патрубком, а второй конец, на котором закреплен рассекатель, расположен в районе днища корпуса с зазором не более 20 мм. [RU 34399, дата публикации 10.12.2003 г., МПК B01D 53/04].
Недостатком прототипа является то, что в устройстве по прототипу используются адсорберы, обеспечивающие недостаточную равномерность их нагрева от нагревательного элемента. Адсорбент, расположенный у внутренней поверхности корпуса адсорберов, в процессе регенерации нагревается на большие температуры, чем адсорбент, находящийся в центре адсорбера. Таким образом, адсорбент регенерируется неравномерно, что понижает эффективность работы адсорбера в дальнейшем. Кроме того, в устройстве по прототипу отсутствуют дополнительные средства для отведения десорбированных компонентов из адсорбера, что не позволяет достичь необходимых показателей эффективности регенерации адсорберов, а также обуславливает необходимость нагрева адсорберов до высоких температур в процессе их регенерации. Это увеличивает потери адсорбента при прокаливании, снижает срок службы адсорберов и их надежность.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности устройства для осушки газа.
Технический результатом, на достижение которого направлена полезная модель заключается в повышении эффективности регенерации адсорберов при одновременном повышении их надежности.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Устройство для осушки газа содержит группы адсорберов, снабженные нагревательными элементами. В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит средство для создания вакуума, группы адсорберов выполнены с возможностью поочередного подключения к средству для создания вакуума, а нагревательные элементы выполнены с возможностью одновременного включения со средством для создания вакуума.
Средство для создания вакуума обеспечивает возможность создания разрежения внутри группы адсорберов и отвода продуктов регенерации из внутренней полости адсорберов. Средство для создания вакуума может быть выполнено в виде вакуумного насоса или иного устройства того же назначения и может управляться в автоматическом режиме посредством блока управления либо вручную оператором. Средство для создания вакуума может быть дополнительно снабжено датчиком температуры паров и емкостью для сбора продуктов регенерации.
Группы адсорберов выполнены с возможностью одновременного подключения к средству для создания вакуума, что обеспечивает повышение эффективности устройства за счет осушки газа в одной группе адсорберов при одновременном процессе регенерации другой группы адсорберов.
Нагревательные элементы обеспечивают возможность термического воздействия на адсорбент для прохождения процесса регенерации группы адсорберов. Нагревательные элементы выполнены с возможностью одновременного включения со средством для создания вакуума, что обеспечивает возможность повышения эффективности регенерации группы адсорберов за счет мгновенного начала отведения продуктов регенерации в процессе нагревания адсорберов. Также одновременное включение нагревательных элементов со средством для создания вакуума обеспечивает возможность начала процесса регенерации при более низких температурах, позволяя уменьшить потери адсорбента при прокаливании и тем самым повысить надежность адсорберов.
Нагревательные элементы могут быть выполнены в виде металлической спирали, либо колец с шагом, обеспечивающим равномерный прогрев адсорбера по его длине. Нагревательные элементы могут быть дополнительно снабжены теплоизоляционной рубашкой, снижающей рассеивание тепла и повышающей эффективность прогрева адсорберов. При этом шаг спирали или колец зависит от длины корпуса и предпочтительно составляет до 4 см, что позволяет достичь максимально равномерного нагрева корпуса.
Адсорберы из группы могут иметь внутренний диаметр от 3 до 30 см, что обеспечивает возможность равномерного прогрева всего объема адсорбента (в центре и у внутренней поверхности адсорбера), позволяя повысить эффективность регенерации адсорберов. В случае если внутренний диаметр адсорберов будет менее 3 см, затрудняется прохождение газа через адсорбент, снижая эффективность регенерации адсорберов. В случае если внутренний диаметр адсорбера будет более 30 см, возможно образование застойных (непрогретых) зон адсорбента в осевой части адсорбера и повышение потерь адсорбента при термическом воздействии на адсорбент в зоне контакта с внутренней поверхностью адсорберов.
Адсорберы из группы могут быть ориентированы таким образом, чтобы движение потока газа через них проходило сверху вниз, что снижает риск возникновения кипящего слоя в адсорбенте и увеличивает надежность адсорберов. Адсорберы из группы могут быть снабжены съемными и/или несъемными верхним и нижним фланцами. При этом фланцы могут являться ограничителями нагревательных элементов, что обеспечивает возможность улучшения естественного охлаждения адсорберов и повышения эффективности регенерации адсорберов.
Адсорберы из группы могут содержать фильтрующие элементы, установленные на входе и выходе для газа, обеспечивающие возможность удерживания адсорбента внутри адсорберов. При этом фильтрующие элементы могут быть выполнены в виде перфорированных цилиндров.
Адсорберы из группы могут дополнительно содержать датчик влажности, соединенный, с блоком управления средства для создания вакуума, обеспечивающий возможность предупреждения о необходимости регенерации адсорберов.
В качестве адсорбента может быть использован алюмосиликатный осушитель, активированный оксид алюминия или иной гранулированный адсорбент.
Конструктивные элементы устройства могут быть соединены посредством патрубков. При этом материал конструктивных элементов, в частности, адсорберов может быть выбран в зависимости от давления осушаемого газа.
Дополнительно устройство может содержать влагомаслоотделитель, обеспечивающий возможность отделения капельной влаги и масляного тумана от потока газа, повышения влагоемкости адсорбента и тем самым повышения эффективности устройства. При этом влагомаслоотделитель может быть дополнительно снабжен влагомаслонакопителем, обеспечивающим возможность конденсации капельной влаги и масляного тумана для их последующего вывода из устройства.
Полезная модель обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
- устройство дополнительно содержит средство для создания вакуума, обеспечивающее возможность создания разрежения внутри группы адсорберов и отвода продуктов регенерации из адсорберов, позволяя ускорить прохождение процесса регенерации адсорберов, благодаря чему снижается негативное термическое воздействие на адсорбент.
- группы адсорберов выполнены с возможностью поочередного подключения к средству для создания вакуума, позволяя при регенерации одной группы адсорберов осуществлять осушку газа в другой группе адсорберов, благодаря чему исключается прерывание осушки газа на время регенерации адсорберов.
- нагревательные элементы выполнены с возможностью одновременного включения со средством для создания вакуума, позволяя снизить температуру прохождения процесса регенерации адсорберов, благодаря чему повышается срок службы адсорбента.
Совокупность существенных отличительных признаков позволяет исключить прерывание осушки газа на время регенерации адсорберов, снизить негативное термическое воздействие на адсорбент и повысить срок его службы, благодаря чему обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности регенерации адсорберов при одновременном повышении их надежности, тем самым повышается эффективность устройства для осушки газа.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Полезная модель может быть выполнена при помощи известных средств, материалов и технологий, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - Схема устройства для осушки газа.
Фиг. 2 - Адсорбер, вид спереди, продольное сечение.
Устройство для осушки газа содержит расположенные в кожухе 1 с входом для подачи газа 2, выходом для газа 3 и выходом для продуктов регенерации 4 две параллельно установленные группы адсорберов 5 и 6. Каждая группа адсорберов 5 или 6 содержит два параллельно расположенных адсорбера 7.
Внутри кожуха 1 дополнительно расположено средство для создания вакуума 8 в виде вакуумного насоса. Каждый адсорбер 7 выполнен с возможностью поочередного герметичного подключения к средству для создания вакуума 8 и с образованием линии движения газа к входу для подачи газа 2 и выходу газа 3 посредством запорных элементов К1, К2, К3, К4, К5, К6, при этом группы адсорберов 5 и 6 выполнены с возможностью одновременного подключения адсорберов 7 одной группы к входу для подачи газа 2 и выходу газа 3, а адсорберов 7 другой группы - к средству для создания вакуума 8.
Каждый адсорбер 7 содержит наполненный гранулированным адсорбентом 9 цилиндрический корпус 10 с верхним основанием 11 и днищем 12, входной патрубок 13 и выходной патрубок 14. Верхнее основание 11 выполнено в виде крышки и присоединено к корпусу 10 путем использования шпильки 15 с гайкой 16. Днище прикреплено к корпусу 10 путем использования шпильки 17 с гайкой 18. Входной патрубок 13 расположен в верхнем основании 3 и герметично соединен газопроводом (не обозначен на чертежах) со входом для подачи газа 2. Выходной патрубок 6 расположен в днище 4 и герметично соединен газопроводом (не обозначен на чертежах) с выходом для газа 3. Корпус 10 с внешней стороны снабжен нагревательным элементом 19 с наружной теплоизоляцией 20, выполненным с возможностью равномерного нагревания корпуса 10 по его длине h. Внутренний диаметр d корпуса 10 имеет значение А см.
В качестве гранулированного адсорбента 9 использован алюмосиликатный осушитель.
Нагревательные элементы 19 выполнены с возможностью включения и выключения одновременно со средством для создания вакуума 8. Нагревательный элемент 19 выполнен в виде подключенной к источнику питания (не показан на чертежах) металлической спирали, обмотанной вокруг корпуса 10 с шагом 20 мм.
Входной патрубок 13 и выходной патрубок 14 выполнены в виде полого цилиндра. Внутри входного и выходного патрубков 13 и 14 поперек размещены фильтрующие элементы (не показаны на чертежах), препятствующие выносу адсорбента 9 за пределы адсорбера 7.
Корпус 10 каждого адсорбера 7 снабжен верхним и нижним торцевыми фланцами 21 и 22 соответственно, при этом торцевые фланцы 21 и 22 являются ограничителями теплоизоляции нагревательного элемента 19. Торцевые фланцы 21 и 22 присоединены к корпусу 10 с помощью закладных колец 23 и 24,  каждый из которых  размещен в пазе (не обозначены на чертежах) соответствующего торцевого фланца 21 или 22.
Корпус 10 каждого адсорбера снабжен датчиком температуры и давления (не показан на чертежах) нагревательного элемента 19, а входной патрубок 13 каждого адсорбера 7 - датчиком давления газа (не показан на чертежах).
Каждая группа адсорберов 5 и 6 состоит из четырех параллельно расположенных адсорберов 7, размещенных вертикально.
Устройство дополнительно содержит расположенные внутри кожуха 1 блок управления 25 и датчик влажности 26, подключенный к выходу для газа 3 и блоку управления 25, который подключен к каждому нагревательному элементу 19 и к средству для создания вакуума 8 и выполнен с возможностью автоматического управления их работой посредством сигнала от датчика влажности 26.
Выход средства для создания вакуума 8 соединен с емкостью для сбора конденсата 27, снабженной сливным отверстием 28, подсоединенным к выходу для продуктов регенерации 4.
Адсорберы 7 закреплены на установленной внутри кожуха 1 панели (не показана на чертежах) в вертикальном положении посредством верхних и нижних торцевых фланцев 21 и 22.
Вход средства для создания вакуума 8 снабжен датчиком температуры паров (не показан на чертежах), подключенным к блоку управления 25, предназначенным для регистрации температуры паров, поступающих в средство для создания вакуума 8 и управления выключением средства для создания вакуума 8.
Устройство дополнительно содержит влагомаслоотделитель 29, расположенный на линии газопровода, соединяющего вход для подачи газа 2 и входные патрубки 5 адсорберов 7. Выход влагомаслоотделителя 29 герметично соединен с влагомаслонакопителем 30, снабженным сливным отверстием 31, расположенным в кожухе 1.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Первоначально, поступающий в устройство газ проходит влагомаслоотделитель 29, где происходит очистка газа от воды и масел, при этом пары скапливаются во влагомаслонакопителе 30, где конденсируются и выливаются за пределы устройства через сливное отверстие 31.
Далее вторая группа адсорберов 6 осуществляет осушку газа, а первая группа адсорберов 5 находится в нерабочем положении. Далее датчик влажности 26 регистрирует показания влажности во второй группе адсорберов 6. После достижения определенного значения влажности (насыщения влагой) адсорбентов 7 второй группы адсорберов 6, датчик влажности 26 подает сигнал блоку управления 25 на переключение группы адсорберов, которая осуществляет осушку газа.
Далее посредством блока управления 25 запорные элементы К1 и К2 открываются, а запорный элемент К3 закрывается, первая группа адсорберов 5 осуществляет работу по осушке газа, а вторая группа адсорберов 6 одновременно переключается в режим регенерации, то есть запорные элементы К4 и К5 закрываются, а запорный элемент К6 открывается.
Газ через вход для подачи газа 2 поступает в первую группу адсорберов. Газ сверху через входной патрубок 13 поступает в адсорбер 7, проходя слой адсорбента 1 очищается от паров воды и выходит снизу через выходной патрубок 14. При этом фильтрующие элементы препятствуют выносу адсорбента за пределы корпуса 2.
Регенерация второй группы адсорберов 6 происходит следующим образом. Включается средство для создания вакуума 8 и одновременно включаются нагревательные элементы 19 второй группы адсорберов 6, равномерно по всей длине h корпуса 10, нагревая адсорберы 7 второй группы адсорберов 6 до необходимой заданной температуры, зависящей от вида адсорбента 9. Датчик температуры нагревательного элемента 19 фиксирует показания температуры нагревательного элемента 19. Образующийся десорбированный пар выходит через входной патрубок 5.
Далее адсорбированные компоненты в виде пара и конденсата попадают через средство для создания вакуума 8 в емкость для сбора конденсата 27, откуда сливаются через сливное отверстие 28.
Датчик температуры пара регистрирует температуру пара, поступающего в средство для создания вакуума 8, и подает соответствующий сигнал на блок управления 25. Когда датчик температуры пара фиксирует, что температура десорбированного пара, поступающего в средство для создания вакуума 8, перестает расти и начинает падать, средство для создания вакуума 8 и нагревательный элемент 19 посредством блока управления 25 выключаются. Адсорберы 7 второй группы адсорберов 6 охлаждаются естественным путем, при этом торцевые фланцы 11 и 12 ускоряют процесс естественного охлаждения за счет теплоотдачи в окружающую среду.
После достижения определенного значения влажности (насыщения влагой) адсорбента 7 первой группы адсорберов 5, датчик влажности 26 подает сигнал блоку управления 25 на переключение группы адсорберов, которая осуществляет осушку газа. Таким образом, далее вторая группа адсорберов 6 осуществляет работу по осушке газа, а первая группа адсорберов 5 переключается в режим регенерации.
Датчик давления регистрирует давление в адсорберах 7 и препятствует включению средства для создания вакуума 8 и нагревательного кабеля 19 в случае наличия давления в адсорберах 7 путем подачи сигнала в блок управления 25.
С целью подтверждения достижения технического результата были изготовлены опытные образцы.
Пример 1, 3, 5, 7, 9. Устройство для осушки газа содержит две параллельно установленные равные группы адсорберов, расположенные в кожухе с входом для подачи газа и выходом для газа. Каждая группа адсорберов содержит два параллельно расположенных адсорбера. Каждый адсорбер герметично соединен с входом для подачи газа и выходом газа. Адсорберы выполнены, как показано на фиг. 2, и отличаются размером внутреннего диаметра d корпуса адсорберов.
Пример 2, 4, 6, 8, 10.
Устройства, показанные на чертежах, содержат средство для создания вакуума и отличаются размером внутреннего диаметра d корпуса адсорберов.
Полученные значения эффективности регенерации устройств по примерам 1-11 представлены в Таблице 1.
Как видно из Таблицы 1, устройство обеспечивает равномерный нагрев адсорбента, находящегося как у внутренней поверхности корпуса, так и в центре адсорбера. Кроме того, средство для создания вакуума дополнительно позволяет повысить эффективность регененерации и надежность адсорберов.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности регенерации адсорберов при одновременном повышении их надежности и повышается эффективность устройства для осушки газа.