АДСОРБЕР
ADSORBER

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией, в частности к адсорберам для осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса разделения воздуха.
Известна адсорбционная установка для получения кислорода короткоцикловой безнагревной адсорбцией, содержащая блок из двух заполненных сорбентом адсорберов, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки подключены к ресиверу (патент РФ №2096072, МПК B01D 53/04, С01В 13/02, 1997 г.). Каждый адсорбер выполнен двухходовым снабжен внутренней обечайкой, формирующей центральную полость, к которой подсоединен выходной патрубок. Адсорбер и кольцеобразную периферийную полость, к которой подсоединен входной патрубок, и послойно заполнен по крайней мере двумя различными сорбентами, первый из которых по ходу потока воздуха занимает не менее 10% объема адсорбера и имеет более крупное зернение, чем последующий, при этом ось внутренней обечайки и ось входного патрубка смещены в противоположные стороны относительно оси корпуса адсорбера, а диаметр внутренней обечайки составляет 0,4-0,7 от диаметра корпуса.
Однако такая конструкция адсорбера не обеспечивает достаточную его производительность и функциональную надежность по сохранению основных технических характеристик гранулированного сорбционного материала в циклах сорбции-десорбции, что обусловлено неравномерным распределением потока газа по объему адсорбера и, соответственно, неоптимальным распределением скоростей газового потока. В зонах с пониженными скоростями могут образовываться застойные зоны, которые снижают производительность и полноту десорбции и делают работу адсорбера ненадежной при изменении таких параметров подаваемой на разделение смеси газа, как температура, расход и давление.
Известен адсорбер для разделения газов короткоцикловой безнагревной адсорбцией, содержащий корпус, заполненный цеолитовым сорбентом, и установленную внутри него по меньшей мере одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой смеси и отбора целевого газового компонента, снабженные фильтрующими перегородками (заявка Франции №25557809, МПК B01D 53/04, 1985 г.).
Такое конструктивное выполнение адсорбера способствует выравниванию скоростей газового потока по объему адсорбера и повышению его производительности.
Известный адсорбер характеризуется недостаточной надежностью, обусловленной малой пылеемкостью фильтрующей перегородки, установленной перед штуцером отбора целевого газа. Поскольку количество продукционного газа, выходящего из адсорбера, в 6-8 раз превышает количество продукционного газа, возвращаемого в адсорбер в режиме "промывки" сорбента, то постепенно на фильтрующей перегородке происходит накопление фрагментов разрушившихся частиц сорбента, пылевидная часть которых задерживается в порах фильтрующей перегородки, что приводит к значительному росту сопротивления и, соответственно, к снижению эффективности процесса разделения.
Другим недостатком известной конструкции является нестабильность работы адсорбера во всем диапазоне рабочих температур, обусловленная образованием так называемого "холодного пятна" - зоны охлаждения адсорбента при адиабатическом расширении газа при сбросе давления в адсорбере. В результате снижается надежность работы адсорбера.
Известен также принятый в качестве прототипа адсорбер для короткоцикловой безнагревной адсорбции (пат. РФ №2257944, МПК B01D 53/047, 2004), содержащий корпус, заполненный сорбентом, и установленную внутри по меньшей мере одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой смеси и отбора целевого газового компонента, снабженные фильтрующими перегородками, в сужающейся части конической перегородки установлено фильтрующее устройство в виде заключенного в корпус свернутого в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавного фильтра, внутри которого размещена лента с выступами и впадинами, образующими с внутренними стенками рукавного фильтра карманы, а в качестве сорбента использована послойная загрузка фожазитовых цеолитов в кальциевой и литиевой формах в соотношении от 0,2:1 до 1:0,2, причем на линии раздела слоев установлены перфорированные перегородки с высокой теплопроводностью.
Согласно описанию, в полости адсорбера над фильтрующей перегородкой размещен слой силикагеля в количестве от 3 до 10% от общей массы загружаемого сорбента, над слоем силикагеля в пространстве между корпусом и конической перегородкой помещается слой цеолитового сорбента в кальциевой форме в количестве 35-45% масс, остальное свободное пространство полости адсорбера заполняется цеолитовым сорбентом в литиевой форме в количестве более 45-55% масс.
Недостатком известного устройства является недостаточная надежность его работы, связанная с использованием силикагеля в качестве влагопоглощающего материала. При прекращении работы адсорбера происходит перераспределение влаги, сорбированной силикагелем в процессе работы в режиме короткоцикловой безнагревной адсорбции. Цеолитовый сорбент способен "отбирать" адсорбированную воду у силикагеля, в результате чего он перестает адсорбировать газы, что приводит к уменьшению производительности адсорбера.
Задачей изобретения является повышение надежности работы адсорбера.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в исключении перераспределении воды из лобового слоя на весь объем цеолитовых сорбентов в процессе эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в адсорбере для короткоцикловой безнагревной адсорбции, содержащем корпус, заполненный сорбентом, и установленную внутри корпуса по меньшей мере одну полую двухсекционную перегородку в виде воронки и содержащий отверстия для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные фильтрующими перегородками. В сужающейся части конической перегородки-воронки установлено фильтрующее устройство, и в полости адсорбера над фильтрующей перегородкой размещен слой поглотителя воды, над слоем которым в пространстве между корпусом и конической перегородкой помещается слой цеолита в кальциевой форме. Остальное свободное пространство заполняется цеолитом в литиевой форме, при этом в качестве поглотителя воды используется натриевый цеолит типа NaX, причем соотношение между объемами натриевого, кальциевого и литиевого цеолита выражается отношением (0,9÷1,1) : (3,8÷4,2) : (4,8÷5,2) 1:4:5.
В качестве сорбента цеолитового в форме типа NaX может быть использован сорбент целитовый NaX-B-1T, ТУ 6-16-20-90.
В качестве сорбента цеолитового в кальциевой форме может быть использован сорбент цеолитовый Ф-1 кальциевый, ТУ 2163-111-05807954-2001.
В качестве сорбента цеолитового в литиевой форме может быть использован сорбент цеолитовый Ф-1 литиевый, ТУ 2163-111-05807954-2001.
Использование в качестве осушителя сорбента цеолитового в натриевой форме типа NaX обеспечивает:
- исключение обводнения сорбентов цеолитовых в кальциевой и литиевой форме в процессе эксплуатации адсорбера;
- участие в процессе разделение газовой смеси дополнительного разделительного материала, так как цеолит NaX, в отличие от силикагеля, способен, помимо адсорбции воды (которая происходит в лобовом слое сорбентов по потоку воздуха) разделять газы. Использование в качестве сорбента послойной загрузки сорбентов цеолитовых в натриевой, кальциевой и литиевой формах обеспечивает стабильную работу адсорбера в широком диапазоне рабочих температур, например, от +70°С до -50°С, так как сорбент цеолитовый в литиевой форме обеспечивает высокую производительность по продукционному газу при пониженной температуре, сорбент цеолитовый в кальциевой форме - при повышенной температуре сорбент цеолитовый и натриевой форме при комнатной температуре. У сорбентов цеолитовых в кальциевой форме при снижении температуры ниже 0°С селективность снижается настолько, что разделение газов становится неэффективным. При этом увеличение доли сорбента цеолитового в кальциевой форме в общем объеме сорбентов в адсорбере приводит к избыточной производительности при повышении температуры и к резкому снижению производительности при уменьшении температуры. При увеличении доли цеолитовых сорбентов в литиевой форме в общем объеме сорбентов в адсорбере наблюдается противооположный результат, так как при повышении температуры, селективность цеолитового сорбента в Li форме так как заметно снижается. Таким образом, увеличение обусловливает снижение надежности работы адсорбера при изменении температуры в широком диапозоне;
- возможность перехода от весового дозирования адсорбентов к объемному, что упрощает дозирование и повышает удобство снаряжения адсорбера, учитывая степень его заполнения адсорбентом;
- создание более однородного газового потока в адсорбенте за счет однородности его гранулометрического состава, что исключает, с одной стороны образование в адсорбере зон с меньшими скоростями потока, приводящих к уменьшению производительности адсорбера по продукционному газу, с другой стороны, устраняет образование "холодного пятна" - зоны охлаждения адсорбента при адиабатическом расширении газа при сбросе давления в адсорбере, что также исключает уменьшение производительности адсорбера по продукционному газу.
Возможность перехода от весового дозирования адсорбентов к объемному упрощает дозирование и повышает удобство снаряжения адсорбера и, самое главное, сводит к минимуму поглощение сорбентами паров воды из воздуха при сборке адсорбера. Выбор соотношения между объемами цеолитовых сорбентов в натриево, кальциево и литиевой формах соответствующего (0,9÷1,1) : (3,8÷4,2) : (4,8÷5,2) обеспечивает стабильную работу адсорбера в широком диапазоне рабочих температур, например, от +70°С до -50°С, так как цеолиты в натриевой форме обеспечивают высокую производительность по продукционному газу при комнатной температуре, в литиевой форме обеспечивают высокую производительность по продукционному газу при пониженной температуре, а цеолиты в кальциевой форме - при повышенной температуре. При этом уменьшение доли любого из сорбентов цеолитовых приводит к избыточной производительности в одном температурном диапазоне при уменьшении производительности в другом. Таким образом, применение послойной загрузки сорбентов цеолитовых в натриевой, кальциевой и литиевой формах в заданном объемном соотношении и размещение по поверхности раздела слоев сорбентов цеолитовых в натриевой и литиевой формах разделительных сеток обеспечивает достижение стабильности работы адсорбера в широком диапазоне рабочих температур и повышает эффективность его работы.
Использование в адсорбере в качестве сорбента цеолитового в натриевого сорбента цеолита NaX-B-1Г, ТУ 6-16-20-90, в качестве сорбента цеолитового цеолита в кальциевой форме - сорбента цеолитового Ф-1 кальциевого ТУ 2163-111-05807954-2001 и в качестве сорбента цеолитового в литиевой форме - сорбента цеолитового Ф-1 литиевого, ТУ 2163-111-05807954-2001 обеспечивает однородность гранулометрического состава сорбента с повышением плотности их упаковки адсорбента в адсорбере при минимальном аэродинамическом сопротивлении слоя сорбентов.
На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого устройства:
на фиг. 1 показан общий вид адсорбера,
на фиг. 2 показано сечение адсорбера по А-А, фиг. 1;
на фиг. 3 показано сечение адсорбера по Б-Б, фиг. 2;
на фиг. 4 показано сечение адсорбера по В-В, фиг. 2;
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1. корпус;
2. крышка;
3. кольцо с сеткой;
4. пружина;
5. штифт;
6. переходник;
7. винт с гайкой;
8. входное отверстие;
9. выходное отверстие;
10. полая двухсекционная перегородка (воронка);
11. фильтрующее устройство;
12. кольцевой металлокерамический фильтрующий элемент;
13. круглый металлокерамический фильтрующий элемент;
14. сорбент цеолитовый NaX-В-1Г;
15. сорбент цеолитовый кальциевый;
16. сорбент цеолитовый литиевый;
17. сетка разделительная;
18. заглушка;
19. направление движения газовой смеси.
Адсорбер для короткоцикловой безнагревной адсорбции содержит выполненный в виде стакана с центральным отверстием корпус 1, содержащий крышку 2, соединенную с устройством поджима, выполненного в виде кольца с щеткой 3, взаимодействующего с набором пружинами 4. Крышка 2 фиксируется в корпусе 1 посредством штифтов 5. Нижняя часть корпуса 1 установлена в переходнике 6 и зафиксирована с помощью винтов с гайками 7. Переходник 6 снабжен входным отверстием 8 для подвода разделяемого воздуха и выходным отверстием 9 для отвода продукционного газа. В корпусе 1 над выходным отверстием 9 установлена также полая двухсекционная перегородка в форме воронки 10, которая позволяет увеличить эффективную высоту слоя адсорбентов без увеличения высоты корпуса 1. В цилиндрической полой двухсекционной перегородки (вороки) 10 установлено фильтрующее устройство 11. Перед входным отверстием 8 и выходным отверстием 9 со стороны полости адсорбера установлены кольцевой 12 и круглый 13 металлокерамические фильтрующие элементы.
В полости адсорбера над кольцевым металлокерамическим фильтрующим элементом 12 размещен слой сорбента цеолитового натриевой форме 14 марки NaX-B-1Г, ТУ 6-16-20-90, в количестве 10% от общего объема загружаемых сорбентов. Над фильтрующим устройством 11 в полой двухсекционной перегородке (воронке) 10 размещен слой сорбента цеолитового Ф-1 в кальциевого 15, ТУ 2163-111-05807954-2001, в количестве 40%* остальное свободное пространство корпуса 1 заполняется сорбентом цеолитовым Ф-1 в литиевым 16, ТУ 2163-111-05807954-2001 в количестве более 50% от общего объема сорбентов. Между слоями сорбентов цеолитовых натриевого 14 и кальциевого 15 размещена сетка разделительная 17, выполненная в виде частей кольца для обеспечения возможности ее установки между слоями в пространстве между корпусом 1 и полой двухсекционной перегородкой (воронкой) 10. В снаряженном состоянии адсорбера во входном отверстии 8 и выходном отверстии 9 установлены заглушки 18 в виде резьбовых пробок, которые удаляются при монтаже на объекте.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Подготовка адсорбера к работе заключается в установке в корпус адсорбера 1 при снятой крышке 2 фильтрующего устройства 11, помещаемого в основание полой двухсекционной перегородки (воронки) 10 и последующей засыпке в полость корпуса 1 отрегенерированных термообработанных и охлажденных без доступа влаги сорбентов: сорбента цеолитового NaX-В-1Г14, сорбента цеолитового Ф-1 кальциевого 15 и сорбента цеолитового литиевого 16. Между слоями натриевого 14 и кальциевого15 сорбентов устанавливается выполненная в виде частей кольца сетка разделительная 17. Затем устанавливается крышка 2, которая через набор пружин 4 воздействует на кольцо с сеткой 3, уплотняя слои сорбентов 14, 15 и 16. Крышка 2 фиксируется в корпусе 1 штифтами 5* После подсоединения адсорбера к линиям подвода разделяемого воздуха и отбора продукционного газа, соответственно, к отверстиям для подвода разделяемого воздуха 8 и отверстию 9 отбора продукционного газа, адсорбер включается в работу.
Адсорбер работает следующим образом: после удаления заглушек 18 и подключения к внешним коммуникациям (не показаны) через входное отверстие 8 в адсорбер подается разделяемый воздух под давлением от 0,1 до 1 МПа, проходящий через кольцевой металлокерамический фильтрующий элемент 12 и слой адсорбента 14, в котором очищается от избыточной влаги. Проходя далее через слои цеолитовых сорбентов 15 и 16, подаваемый на разделение воздух за счет избирательности поглощения ими кислорода освобождается от азота, и газ с. избыточным содержанием кислорода через фильтрующее устройство 11 и круглый металлокерамический фильтрующий элемент 13 поступает через выходное отверстие 9 к потребителю продукционного газа.
При сбросе давления газ с избыточным содержанием азота сбрасывается из адсорбера через отверстие 8 в атмосферу. При этом количество воздуха, проходящего через круглый металлокерамический фильтрующий элемент 13 в обоих направлениях, примерно равно. Часть продукционного газа (10-30% от общего его количества) при сбросе давления в адсорбере вновь поступает в адсорбер через отверстие 9. Этого количества продукционного газа достаточно, чтобы осуществить "промывку" адсорбентов в адсорбере 1, но недостаточно, чтобы избежать концентрационной поляризации круглого металлокерамического фильтрующего элемента 13 взвешенными пылевидными частицами. Проходя через сужающуюся часть полой двухсекционной перегородки 10 и фильтрующее устройство 11, пылевидные частицы попадают в карманы фильтрующего устройства 11, что исключает забивание круглого металлокерамического фильтрующего элемента 13, приводящего к увеличению аэродинамического сопротивления адсорбера и снижению его производительности.
Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы адсорбера при экстремальных условиях эксплуатации: повышенной влажности, высоких и низких температурах, при скачках перепада давления, в адсорбере вызывающих частичное разрушение адсорбентов.