РОТОРНО-ПЛАСТИНЧАТАЯ АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА
ROTOR-PLATE ADSORPTION UNIT

Изобретение относится к устройствам для разделения смеси газов адсорбцией при переменном давлении и может быть использовано при разделении воздуха путем короткоцикловой безнагревной адсорбции с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода.
Из существующего уровня техники известна адсорбционная установка, состоящая из воздушного компрессора, блока осушки и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки - к ресиверу, трубопроводы, соединяющие адсорберы с ресивером, источником сжатого воздуха, потребителем, и два параллельных трубопровода, соединяющих выходные патрубки адсорберов между собой, с установленными на них управляемыми клапанами и сужающими устройствами типа расходных шайб, причем проходные сечения расходных шайб различны и подобраны специальным образом, клапаны управления газовыми потоками и блок управления, осуществляющий переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация [патент РФ №2140806, МПК B01D 53/04, опубл. 10.11.1999].
Недостатком известного адсорбционного устройства является сравнительно высокая конструктивная сложность, что не позволяет существенно снизить массо-габаритные характеристики и энергопотребление установки без заметного снижения ее производительности по продуктовому газу. Кроме того, наличие в установке нескольких клапанов управления газовыми потоками и блока управления ими снижает технологическую надежность установки.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности является установка для разделения смеси газов адсорбцией при переменном давлении, содержащая: корпус с криволинейной внутренней поверхностью, в котором имеется впускное отверстие для разделяемой газовой смеси, отверстие для удаления продуктового газа и отверстие для удаления адсорбированного газа; ротор треугольной формы, ось вращения которого смещена относительно геометрического центра корпуса на величину эксцентриситета. Ротор вращается вокруг собственной оси, совершая одновременно планетарное движение относительно геометрического центра корпуса. Вершины треугольного ротора всегда касаются криволинейной поверхности корпуса, а боковые поверхности ротора совместно с впадинами корпуса образуют рабочие камеры, объем которых изменяется при вращении ротора. С каждой стороны ротора внутри располагаются адсорбционные камеры сложной формы, заполненные адсорбентом. Данные адсорбционные камеры являются частью ротора и вращаются вместе с ним. Каждая адсорбционная камера снабжена фильтрующими вставками, связывающими их с рабочими камерами, образуемыми между криволинейной поверхностью корпуса и ротора [патент WO №2015035694, МПК B01D 53/047, опубл. 19.03.2015].
Недостатками данной установки являются:
- невозможность достижения достаточной степени чистоты продуктового газа, так как выпуск его потребителю осуществляется без пропуска его через слой адсорбента, в виду чего продуктовой газ частично смешивается с исходной газовой смесью;
- сниженная эффективность использования адсорбционной емкости адсорбента в виду сложной формы адсорбционных камер с мертвыми зонами и отсутствия направленного потока газовой смеси сквозь слой адсорбента;
- неэффективная схема регенерации адсорбента, предусматривающая восстановление адсорбента только за счет создания отрицательного давления в рабочей камере, без возможности промывки адсорбционной камеры частью продуктового газа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции, снижение массы и габаритов установки, повышение удельной производительности и технологической надежности.
Данная задача решается за счет того, что заявленная адсорбционная установка состоит из электропривода, редуктора, роторно-пластинчатого адсорбционного модуля. Роторно-пластинчатый адсорбционный модуль состоит из следующих конструктивных элементов: статора, внутренний криволинейный профиль которого образован двумя окружностями с меньшим и большим радиусом, переход между которыми осуществляет через криволинейные сопрягающие поверхности, в котором имеются впускное отверстие с фильтрующим элементом для разделяемой газовой смеси и выпускное отверстие, оборудованное глушителем и фильтром для удаления газа при регенерации; вращающегося ротора цилиндрической формы с радиальными пазами, на внешней поверхности которого между радиальными пазами имеются полости, заполненные адсорбентом, повторяющим по форме внешнюю поверхность ротора, от каждой полости к центру ротора радиально отходит канал, соединяемый с одной из торцевых поверхностей ротора; свободнодвижущихся уплотнительных пластин, установленных в пазы ротора; двух торцевых крышек, одна из которых изготовлена как крышка ресивера и имеет два отверстия, одно отверстие служит для установки однонаправленного регулируемого клапана и подачи обогащенного кислородом воздуха, второе отверстие служит для установки дросселя и обеспечивает дросселирование газа при регенерации в рабочий объем роторно-пластинчатого модуля; ресивера; регулировочного устройства расхода продуктового газа потребителю.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение конструкции, уменьшение массовых и габаритных характеристик, повышение удельной производительности и надежности адсорбционной установки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - общая схема роторно-пластинчатой адсорбционной установки;
фиг. 2 - продольный разрез роторно-пластинчатой адсорбционной установки;
фиг. 3 - роторно-пластинчатая адсорбционная установка (вид А фиг. 2);
фиг. 4 - поперечный разрез роторно-пластинчатого адсорбционного модуля адсорбционной установки (сечение по Б-Б фиг 2);
фиг. 5 - внутренний профиль статора роторно-пластинчатого адсорбционного модуля адсорбционной установки;
фиг. 6 - ротор роторно-пластинчатого адсорбционного модуля адсорбционной установки с 12 радиальными пазами;
фиг. 7 - ротор роторно-пластинчатого адсорбционного модуля адсорбционной установки с 16 радиальными пазами, угол наклона которых по отношению к радиусу ротора в сторону вращения равен 8°;
фиг. 8 - многослойный квазимонолитный сорбирующий элемент;
фиг. 9 - циклограмма работы роторно-пластинчатой адсорбционной установки.
Перечень позиций:
1 - электропривод;
2 - редуктор;
3 - роторно-пластинчатый адсорбционный модуль;
4 - статор роторно-пластинчатого адсорбционного модуля;
5 - фильтр входной;
6 - глушитель;
7 - фильтр выходной;
8 - ротор;
9 - адсорбент;
10 - пластина уплотнительная радиальная;
11 - клапан однонаправленный регулируемый;
12 - дроссель;
13 - ресивер;
14 - клапан регулирующий;
15 - крышка ресивера;
16 - подшипник качения;
17 - узел распределительный;
18 - фланец соединительный;
19 - шайба фиксирующая;
20 - винт;
21 - радиальный отводящий канал;
22 - канал для перетока продуктового газа в ресивер;
23 - канал для дроссерования газа при регенерации;
24 - слой адсорбента осушителя;
15 - слой адсорбента, преимущественно поглощающего азот;
26 - слой адсорбента, преимущественно поглощающего аргон;
27 - слой фильтрующего материала из высокопористого никеля.
Адсорбционная установка состоит из электродвигателя 1, соединяемого с редуктором 2 посредством шайбы фиксирующей 19 и фланца соединительного 18 (фиг. 2) и роторно-пластинчатого адсорбционного модуля 3. Фиксация редуктора к роторно-пластинчатому адсорбционному модулю осуществляется посредством винтов 20. Роторно-пластинчатый адсорбционный модуль состоит из статора 4, ротора 8, ресивера 13 (фиг. 1).
Внутренний профиль статора 4 имеет сложную форму, формируемую двумя окружностями с большим (R) и меньшим радиусом (r), соотношение между которыми находится в диапазоне от 1,10 до 1,34, а переход между ними осуществляет через криволинейные сопрягающие поверхности АВ (фиг. 5). Причем форма кривой АВ задается переменным радиусом ρ исходя из условия:
- обеспечения постоянного ускорения радиальных уплотнительных пластин 10 относительно ротора 8 по уравнению:
при ϕ от 0 до α/2
,
при ϕ от α/2 до α
;
- обеспечения косинусоидального изменения ускорения радиальных уплотнительных пластин 10 относительно ротора 8 по уравнению:
;
- обеспечения синусоидального изменения ускорения радиальных уплотнительных пластин 10 относительно ротора 8 по уравнению:
.
В верхней части статора 4 имеется входное отверстие с фильтром тонкой очистки 5 (т.н. НЕРА-фильтр), выходное отверстие статора оборудовано глушителем лабиринтного типа 6 и выходным фильтром 7, изготовленным из ретикулированного пенополиуретана (фиг. 4).
Внутри статора 4 находится цилиндрический ротор 8, приводимый во вращение выходным валом редуктора 2. В роторе имеются радиальные пазы, количество которых кратно двум и изменяется в диапазоне от 6 до 16, предпочтительно равно 8, 12 или 16. Причем радиальные пазы могут быть выполнены с углом наклона ζ по отношению к радиусу ротора в сторону вращения в диапазоне от 0 до 15°, предпочтительно от 8 до 15°. Возможные варианты выполнения радиальных пазов в роторе 8 показаны на фиг. 6 и фиг. 7.
Ротор 8 посредством подшипников 16 насажен на ось торцевой крышки статора, являющейся одновременно и крышкой ресивера 13 (фиг. 2). Герметизация ресивера осуществляется крышкой 15. В радиальные пазы ротора 8 вставлены свободнодвижущиеся уплотнительные пластины 10. Между радиальными пазами ротора выполнены полости, заполненные адсорбентом 9, повторяющим по форме внешнюю поверхность ротора и выполненным в виде пористого квазимонолитного сорбирующего элемента, содержащего в качестве адсорбирующего материала синтетический цеолит СаА, NaX, NaLSX или LiLSX, а в качестве связующего вещества полиамид спирторастворимый марки ПА 6/66/610, ПА 6/66-3 или ПА 6/66-4 по ОСТ 2224-438-02099342-93.
Адсорбент 9 может быть выполнен так же в виде пористого многослойного квазимонолитного сорбирующего элемента, содержащего в качестве адсорбирующего материала преимущественно поглощающего воду первого начиная от периферии ротора слоя осушитель алюмооксидный 24, в качестве адсорбирующего материала преимущественно адсорбирующего азот второго слоя 25 синтетический цеолит СаА, NaX, NaLSX или LiLSX, в качестве адсорбирующего материала преимущественно сорбирующего аргон третьего слоя 26 синтетический цеолит LiAgX или AgA, четвертый слой 27, выступающий в качестве фильтрующего элемента, выполнен из высокопористого никеля. Схема расположения слоев многослойного адсорбента показана на фиг. 8.
От каждой полости ротора, заполненной адсорбентом 9, к центру ротора радиально отходит канал 21 (фиг. 4), который посредством распределительного узла 17 соединяется с продольными каналами, выполненными в оси торцевой крышки статора для сброса продуктового газа в ресивер и дроссерования продуктового газа при регенерации из ресивера. Распределительный узел выполнен в виде двух кольцевых взаимно притертых вставок из износостойкой керамики. В канал 22 для перетока продуктового газа в ресивер ввернут однонаправленный регулируемый клапан 11, ручка регулировки которого выведена на крышку 15 ресивера (фиг. 3). В канал 23 для дроссерования продуктового газа при регенерации ввернут дроссель 12.
Для регулируемой подачи продуктового газа потребителю в крышку 15 ввернут регулируемый клапан 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При вращении ротора 8, в радиальных пазах которого расположены уплотнительные пластины 10, происходит увеличение объема камеры, образованной внешней поверхностью ротора 8, внутренней статора 4, пластинами 10 и торцевыми крышками. За счет создаваемого небольшого разрежения, эквивалентного сопротивлению входного фильтра 5, воздух из атмосферы засасывается в рабочий объем камеры. По мере дальнейшего вращения происходит изоляция объема камеры от впускного отверстия и уменьшение объема камеры, при этом давление воздуха в ней возрастает до давления адсорбции. Под действием избыточного давления воздух начинает двигаться через адсорбент 9 в радиальном направление по каналу 21, при этом на адсорбенте преимущественно адсорбируется азот, а обогащенный кислородом воздух через радиальный канал 21, распределительный узел 17, осевой канал 22 и однонаправленный регулируемый клапан 11 поступает в ресивер. По мере дальнейшего вращения ротора 8 происходит постепенное увеличение объема камеры, и давление в ней падает до давления десорбции. При этом радиальный канал 21 камеры соединяется через дроссель 12 и продольный канал 23 с ресивером и часть кислорода обратным потоком поступает в камеру, обеспечивая тем самым промывку и регенерацию адсорбента. По мере дальнейшего вращения ротора объем камеры начинает уменьшаться, а сама она соединяется с выпускным отверстием, через которое десорбированный газ через лабиринтный глушитель 6 и выходной фильтр 7 удаляется в атмосферу. Таким образом, за один оборот ротора осуществляется полный адсорбционно-десорбционный цикл короткоцикловой безнагревной адсорбции по вакуумно-напорной схеме. Редуктор 2 адсорбционной установки обеспечивает снижения частоты вращения вала ротора роторно-пластинчатого адсорбционного модуля до величины, не превышающей 400 об/мин, преимущественно 300 об/мин. Такие частоты вращения ротора обуславливают экстремально короткие до 0,15 с, преимущественно 0,2 с рабочие циклы и высокую удельную производительность адсорбционной установки. При увеличении частоты вращения ротора свыше 400 об/мин и соответственно длительности адсорбционно-десорбционного цикла менее 0,15 с происходит снижение эффективности газоразделительного процесса и уменьшение концентрации кислорода в продуктовом газе.
ат
вс
сбр
max
min
Циклограмма адсорбционно-десорбционного цикла роторно-пластинчатой адсорбционной установки с 8 радиальными пластинами показана на фиг. 9, где Р - атмосферное давление; Р - давление всасывания; Р - давление сброса; P - максимальное давление при адсорбции; P - минимальное давление регенерации.
Предлагаемое устройство позволяет упростить конструкцию, уменьшить массу и габариты, повысить удельную производительность и надежность адсорбционной установки.