адсорбер

Формула изобретения

Адсорбер для короткоцикловой безнагревной адсорбции, содержащий корпус, заполненный сорбентом, и установленную внутри по меньшей мере одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные фильтрующими перегородками, отличающийся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

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, в которой каждый адсорбер выполнен двухходовым с внутренней обечайкой, формирующей центральную полость, к которой подсоединен выходной патрубок, и кольцеобразную периферийную полость, к которой подсоединен входной патрубок, и послойно заполнен по крайней мере двумя различными сорбентами, первый из которых по ходу воздуха занимает не менее 0,1 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 (см., например, патент РФ №2096072, МПК В 01 D 53/04, С 01 В 13/02, 1997 г.).

Однако такая конструкция адсорбера не обеспечивает достаточную производительность адсорбера 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 параметров подаваемого на разделение газа: температуры, расхода и давления.

Известен адсорбер для разделения газов короткоцикловой безнагревной адсорбцией, содержащий корпус, заполненный цеолитовым сорбентом, и установленную внутри, по меньшей мере, одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные фильтрующими перегородками (Заявка Франции № 25557809, МПК B 01 D 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 устройства, обусловленной малой пылеемкостью фильтрующей перегородки, установленной перед штуцером отбора целевого продукта. 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. Задачей изобретения является повышение надежности работы адсорбера.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении сопротивления адсорбера и в обеспечении стабильной работы в диапазоне температур от +70°С до -50°С.

Технический результат достигается тем, что в адсорбере для короткоцикловой безнагревной адсорбции, содержащем корпус, заполненный сорбентом, и установленную внутри, по меньшей мере, одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого 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 используется послойная загрузка фожазитовых цеолитов в кальциевой и литиевой формах в соотношении от 0,2:1 до 1:0,2, при этом на линии раздела слоев установлены перфорированные перегородки с высокой теплопроводностью.

Установка в сужающейся части конической перегородки фильтрующего устройства 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, исключает забивание пылью фильтрующей перегородки продукционного газа при работе адсорбера, приводящее к увеличению сопротивления потоку. Поэтому фильтрующее устройство способно работать в реверсивном потоке, не меняя своего сопротивления и удерживая задержанную пыль внутри себя без выбросов в полость адсорбера в течение всего межремонтного периода эксплуатации. При этом в полость карманов попадает только тонкодисперсная пыль, влияющая на сопротивление потоку фильтрующей перегородки, а крупные фрагменты в карманы попасть не могут, так как задерживаются на торцовой поверхности фильтрующего устройства и на величину сопротивления адсорбера не влияют. Тем самым сопротивление адсорбера сохраняется минимальным в течение всего периода эксплуатации адсорбера.

Использование в качестве сорбента послойной загрузки фожазитовых цеолитов в кальциевой и литиевой формах в соотношении от 0,2:1 до 1:0,2 обеспечивает стабильную работу адсорбера во всем диапазоне рабочих температур, например, от +70°С до -50°С, так как цеолиты в литиевой форме обеспечивают высокую производительность по продукционному газу при пониженной температуре, а цеолиты в кальциевой форме - при повышенной. У цеолитов в кальциевой форме при снижении температуры ниже 0°С селективность снижается настолько, что разделение газов становится неэффективным. При этом уменьшение доли цеолитов в кальциевой форме ниже 0,2 приводит к избыточной производительности при повышении температуры и к резкому снижению производительности при уменьшении температуры. Адсорбер при такой загрузке ненадежен в работе при колебаниях температуры. При загрузке цеолитов в литиевой форме наблюдается аналогичный результат при повышении температуры, так как селективность при повышении температуры заметно снижается. Это также обуславливает снижение надежности работы адсорбера при изменении температуры. Изменением соотношения загрузок цеолитов в кальциевой и литиевой формах в диапазоне от 0,2:1 до 1:0,2 можно достичь необходимой производительности адсорбера в рабочем диапазоне температур, что обеспечивает повышение надежности работы адсорбера. При других соотношениях различных цеолитов в загрузке обеспечить надежную работу адсорбера при меняющейся температуре невозможно.

Установка на линии раздела слоев цеолитов в кальциевой и литиевой формах перфорированных перегородок. с высокой теплопроводностью обеспечивает, с одной стороны, выравнивание скоростей потока по всему живому сечению адсорбера за счет равномерности аэродинамических свойств перегородки, что исключает образование зон с меньшими скоростями потока, приводящих к уменьшению производительности адсорбера по продукционному газу, с другой стороны, устранение образования "холодного пятна" - зоны охлаждения адсорбента при адиабатическом расширении газа при сбросе давления в адсорбере за счет более высокой теплопроводности материала перегородки по сравнению с высокопористым цеолитом, что также исключает уменьшение производительности адсорбера по продукционному газу.

Таким образом, применение послойной загрузки цеолитов в кальциевой и литиевой формах в заданном их соотношении и установка по линии раздела слоев цеолита перфорированных перегородок с высокой теплопроводностью обеспечивает достижение стабильности работы устройства во всем диапазоне рабочих температур, что обеспечивает повышение эффективности работы устройства.

На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого устройства. На фиг.1 показан общий вид адсорбера в разрезе, на фиг.2 - показана конструкция фильтра, на фиг.3 - вид фильтра сверху, на фиг.4 - вид ленты сбоку, на фиг.5 показан вид по стрелке А фигуры 4, на фиг.6 показан участок рукавного фильтра, на фиг.7 - сечение по Б-Б и на фиг.8 показан вид перфорированной перегородки.

Адсорбер для короткоцикловой безнагревной адсорбции содержит корпус 1, содержащий верхнюю крышку 2, соединенную с устройством поджима 3, выполненного в виде кольца с сеткой, посредством набора пружин 4. Крышка 2 установлена в корпусе 1 посредством шомполов 5. Нижняя часть корпуса 1 установлена с помощью резьбового соединения в основании 6, снабженном штуцерами для подвода разделяемого воздуха 7 и отбора продукционного газа 8, на выходе из которых со стороны адсорбера установлены металлокерамические фильтрующие элементы, соответственно 9 и 10, причем фильтрующий элемент 9 выполнен в виде кольца, охватывающего фильтрующий элемент 10. На основании 6 установлена также коническая перегородка 11, которая позволяет увеличить эффективную высоту адсорбера без увеличения высоты корпуса. В сужающейся части конической перегородки 11 установлено фильтрующее устройство 12 в виде заключенного в корпус 13 свернутого в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавного фильтра 14, внутри которого размещена лента 15 с выступами и впадинами в виде просечек, образующих с внутренними стенками рукавного фильтра карманы. Корпус 13 снабжен сетчатыми крышками 16, установленными на его торцах.

В полости адсорбера над фильтрующей перегородкой 9 размещен слой силикагеля 17 в количестве от 3 до 10% от общей массы загружаемого сорбента, над слоем силикагеля в пространстве между корпусом 1 и конической перегородкой 11 помещается слой цеолита 18 в кальциевой форме в количестве 35-45%, остальное свободное пространство заполняется цеолитом 19 в литиевой форме в количестве более 45-55%. Между слоями сорбента размещаются перфорированные перегородки 20, выполненные в виде частей кольца для обеспечения возможности установки между слоями в пространстве между корпусом 1 и конической вставкой 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Подготовка адсорбера к работе заключается в установке в адсорбер при снятой крышке 2 фильтрующего устройства 12, помещаемого в основание конической перегородки 11 и последующей засыпке в полость, образованную корпусом 1 и основанием 6, отрегенерированных сорбентов: силикагеля 17 и цеолитов в кальциевой форме 18 и литиевой форме 19, между которыми устанавливаются перфорированные металлические перегородки 20. Затем устанавливается крышка 2, которая через набор пружин 4 воздействует на устройство поджима 3, уплотняя загрузку сорбентов 17, 18 и 19. Крышка 2 фиксируется в корпусе 1 шомполами 5. После подсоединения адсорбера к линиям подвода разделяемого воздуха и отбора продукционного газа, соответственно, к штуцерам для подвода разделяемого воздуха 7 и отбора продукционного газа 8 адсорбер включают в работу.

Адсорбер работает следующим образом: через штуцер 7 в адсорбер подается разделяемый воздух под давлением от 0,1 до 1 МПа, проходящий через металлокерамический фильтрующий элемент 9 и слой силикагеля 17, в котором очищается от избыточной влаги. Проходя далее через слои цеолитов, подаваемый на разделение воздух за счет избирательности поглощения освобождается от азота, и воздух с избыточным содержанием кислорода через фильтрующий элемент 12 и металлокерамический фильтрующий элемент 10 поступает на выход продукционного газа 8.

При сбросе давления воздух с избытком азота сбрасывается из адсорбера через штуцер 7 в атмосферу. При этом количество воздуха, проходящего через металлокерамический фильтр в обоих направлениях, примерно равно. Часть продукционного газа (10-30% от общего количества продукционного газа) при сбросе давления в адсорбере вновь поступает в адсорбер через штуцер 8. Этого количества продукционного газа достаточно, чтобы осуществить промывку адсорбента, но недостаточно, чтобы избежать концентрационной поляризации металлокерамического фильтра 10 взвешенными частицами. Проходя через сужающуюся часть конической перегородки 11 и фильтрующее устройство 12, эти частицы попадают в заключенный в корпусе 13 свернутый в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавный фильтр 14, пылевидные частицы попадают в карманы, образованные лентой 15 и внутренними стенками рукавного фильтра 14.

Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы адсорбера при самых тяжелых условиях эксплуатации: при повышенной влажности, высоких и низких температурах, при скачках перепадов давления, вызывающих частичное разрушение адсорбента.