АДСОРБЕР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Техническое решение относится к конструкциям адсорберов для очистки и разделения многокомпонентных газовых смесей в движущемся слое адсорбента и может найти применение в химической, нефтехимической, лакокрасочной, металлургической, машиностроительной, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов и вентиляционных выбросов, содержащих пары нескольких компонентов.
Известен адсорбер с движущимся слоем поглотителя, включающего колонну с распределительной тарелкой, представляющей собой трубную решетку с направленными вниз патрубками, через которую газовая смесь поднимается в адсорбционную зону, где взаимодействует с движущимся слоем угля, охлажденного в трубах холодильника.
В средней части адсорбера установлена ректификационная колонна с распределительными тарелками, на которых происходит селективное отделение уловленных из газа компонентов. В нижней части адсорбера расположена зона десорбции, где адсорбент проходит по трубам, обогреваемым снаружи парами высокотемпературных теплоносителей. Одновременно адсорбент для удаления высокотемпературных уловленных компонентов продувается острым паром. [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 8-е, переработанное. - М.: Химия, 1971, с.607-609].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания гранул адсорбента в зонах адсорбции и десорбции, что приводит к недостаточной степени использования емкости адсорбента в процессе адсорбции и степени регенерации гранул или зерен адсорбента от уловленных компонентов каждой фракции в процессе десорбции. Это приводит к увеличению расхода адсорбента, повышенному истиранию гранул или зерен в процессе движения, закупориванию пор, снижению адсорбирующей емкости и уменьшению степени регенерации от уловленных компонентов.
Известен адсорбер непрерывного действия, включающий корпус с адсорбционной и хроматографическими секциями, внутри которых размещены колосниковые тарелки, распределительную тарелку со штуцером ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографические секции, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций, устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента и вертикальные пластины, сопряженные боковыми и нижними кромками с корпусом и верхними кромками, расположенными выше распределительной тарелки, при этом нижняя часть корпуса с хроматографическими секциями выполнена ступенчатой, причем секция с более высокой температурой десорбции размещена выше секции с более низкой температурой, а смежные хроматографические секции с более высокой и более низкой температурой десорбции имеют узел смешения разнотемпературного адсорбента, размещенный над зоной подвода тепла ниже лежащей хроматографической секции, а днище каждой хроматографической секции выполнено с углом наклона, превышающим угол естественного откоса слоя гранулированного адсорбента. [Патент №2144417 РФ, В01Д 53/06 2000 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная степень использования емкости адсорбента в адсорбционной секции и степень его регенерации в хроматографических секциях из-за неодинакового времени пребывания гранул абсорбента в этих секциях. Кроме того, угол наклона днища каждой хроматографической секции, превышающий угол естественного откоса слоя гранулированного адсорбента, не обеспечивает полного равномерного перемещения сверху вниз по днищу всей массы гранул, что дополнительно увеличивает неравномерность их пребывания в хроматографических секциях и уменьшает общую степень десорбции гранул.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятому за прототип является адсорбер непрерывного действия, включающий корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцером ввода исходного сырья, устройство для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом в корпусе дополнительно установлены вертикальные пластины, сопряженные боковыми и нижними кромками с корпусом, причем верхние кромки пластин расположены выше распределительной тарелки. [Патент РФ №2098169, В01D 53/06, 1997 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится неодинаковое время пребывания гранул адсорбента как в адсорбционной, так и в хроматографических секциях, что приводит как к недостаточной степени использования емкости гранул адсорбента при адсорбции, так и к недостаточной степени регенерации гранул адсорбента от очищаемых компонентов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции адсорбера непрерывного действия является увеличение степени использования емкости адсорбента и степени его регенерации за счет оптимизации времени пребывания гранул в процессах адсорбции и десорбции.
Технический результат достигается тем, что в адсорбере непрерывного действия, включающем корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцером ввода исходного сырья, устройство для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом колосниковые и аккумулирующие тарелки установлены под углом к горизонтальной поверхности большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки, а тарелки в нижней части снабжены патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью нижеследующей тарелки равного высоте слоя адсорбента на тарелке.
Установка колосниковых и аккумулирующих тарелок под углом к горизонтальной поверхности, большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки позволяет под действием силы тяжести перемещаться гранулам адсорбента сверху вниз без образования застойных зон, что обеспечивает одинаковое время пребывания всех гранул адсорбента в адсорбционной и хроматографической секциях на каждой тарелке, а значит одинаковую степень использования емкости адсорбента в процессе адсорбции и его регенерацию в процессе десорбции.
Снабжение тарелок в нижней части патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью нижеследующей поверхности равного высоте слоя адсорбента на тарелке позволяет обеспечивать на каждой тарелке необходимое время пребывание гранул адсорбента для наибольшего использования емкости адсорбента в процессе адсорбции и наибольшей регенерации от каждого компонента в процессе десорбции за счет обеспечения необходимой толщины слоя адсорбента на каждой тарелке.
Таким образом в предлагаемой конструкции адсорбера все гранулы адсорбента находятся в адсорбционной и хроматографической секциях не просто одинаковое, но и оптимальное время пребывания, что позволяет в наибольшей степени использовать емкость адсорбента и его селективную регенерацию от каждого компонента.
На фигуре представлен общий вид адсорбера непрерывного действия для разделения сырья на три фракции.
Адсорбер содержит корпус 1, в котором размещены адсорбционная секция 2 и хроматографические секции 3 (3, 3', 3" для отделения каждой фракции). Между адсорбционной 2 и первой хроматографической секцией 3 располагается распределительная тарелка 4 со штуцером ввода исходного сырья 5. В верхней части корпуса 1 установлен штуцер 6 для вывода очищенного газа. В нижней части каждой хроматографической секции 3 расположена аккумулирующая тарелка 7 со штуцером 8 для вывода выделенных фракций. Хроматографические секции 3 включают устройство для подвода тепла в виде змеевиков 9 для подачи теплоносителя. Корпус адсорбера снабжен устройствами 10 и 11 для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента и колосниковыми тарелками 12 для выравнивания структуры потока в адсорбционной секции 2.
Колосниковые тарелки 12 и аккумулирующие тарелки 7 установлены под углом α к горизонтальной плоскости так, что угол α больше угла трения φ материала гранул адсорбента и материала тарелки. Кроме того, колосниковые тарелки 12 и аккумулирующие тарелки 7 в нижней части оснащены патрубками 13 с образованием зазора между торцами патрубков и поверхностью нижеследующей тарелки равным высоте слоя адсорбента на тарелке, при этом высота h слоя адсорбента на колосниковых тарелках 12 не равна высоте слоя Н адсорбента на аккумулирующих тарелках 7 и зависит от необходимого времени пребывания адсорбента в адсорбционной секции 2 и хроматографических секций 3.
Адсорбер работает следующим образом.
Адсорбент через устройство 10 вводится в корпус 1 и вступает в перекрестный контакт с сырьем, содержащим три компонента, вводимым через штуцер 5 на распределительную тарелку 4, при этом в адсорбент из сырьевого потока переходят все три компонента. Необходимое время пребывания адсорбента на каждой колосниковой тарелке 12, движущегося по ней к патрубку 13, устанавливается зазором δ между нижним его торцом и поверхностью нижеследующей колосниковой тарелки 12. Так как каждая колосниковая тарелка 12 устанавливается под углом α к горизонтальной поверхности большим угла трения φ между материалом гранул адсорбента и материалом тарелки 12, то под действием силы тяжести гранулы самопроизвольно опускаются к патрубку 13, при этом подъемная сила потока очищаемого газа, проходя сквозь колосники каждой тарелки 12, предотвращает остановку гранул адсорбента из-за их заклинивания в колосниках.
Очищенный газ выходит через штуцер 6, а отработанный адсорбент с поглощенными тремя компонентами выходит из адсорбционной секции 2 и попадает под распределительную тарелку 4 в первую хроматографическую секцию 3, в которой за счет подвода тепла в змеевики 9 происходит отделение наиболее легколетучего первого компонента, пары которого отводятся через штуцер 8.
Во второй хроматографической секции 3' подвод тепла от змеевиков 9 увеличивают, температура нагревания гранул становится больше и это приводит к удалению второго среднелетучего компонента, пары которого отводятся через штуцер 8 второй хроматографической секции 3'.
В третей хроматографической секции 3" подвод тепла от теплообменного устройства 9 еще больше увеличивают, так что из гранул адсорбента удаляется наиболее труднолетучий компонент, пары которого отводятся через штуцер 8 хроматографической секции 3", а отработанный адсорбент отводится из нижней хроматографической секции 3" устройством 11 из корпуса 1.
Время пребывания гранул адсорбента в каждой хроматографической секции 3 устанавливается как и в адсорбционной секции с помощью зазора Δ между нижним торцом патрубка 13 и поверхностью нижеследующей аккумулирующей тарелки 7, равного высоте слоя Н на аккумулирующей тарелке 7.
Время пребывания гранул адсорбента на любой тарелке определяется уравнением
τ=V/G,
3
где V - объем гранул на тарелке, м;
3
G - объемный расход адсорбента м/с.
Объем гранул V определяется по уравнению
V=S·h или V=S·H,
2
Где S - площадь сечения тарелки, м;
h, H - соответственно высота слоя гранул на колосниковой и аккумулирующей тарелке, м.
Таким образом, подбирая зазоры h и H, можно обеспечить необходимые высоты слоев адсорбента и время пребывания гранул адсорбента на каждой тарелке, а значит время контакта сырья с поверхностью гранул и степень использования емкости адсорбента. Тоже касается и необходимого времени регенерации гранул адсорбента в каждой хроматографической секции, а значит степени регенерации гранул адсорбента.
Предлагаемую конструкцию адсорбера несложно модифицировать для 2-х или 4-х и более компонентов, соответственно меняя число хроматографических секций, что позволяет при заданной степени очистки газового потока по каждому компоненту обеспечивать высокую степень использования емкости адсорбента и степень его регенерации.