АДСОРБЕР Российский патент 1994 года по МПК F25B37/00 B01D53/04 

Изобретение относится к области кислородного машиностроения и может быть использовано, в частности, в холодильной технике для разделения воздуха, медицине, газосварочном производстве.

Известен цилиндрический адсорбер, заполненный селективным адсорбентом и имеющий на торцах патрубки для входа и выхода газа [1] .

Известен аппарат и характерная для него цикличность работы, включающая стадии набора давления, разделения газа и совмещенную стадию сброса давления - регенерацию адсорбента, обеспечивают содержание кислорода в обогащенной фракции не выше 45% .

Известен адсорбер, содержащий вертикальный пустотелый корпус с размещенным в нем слоем селективного адсорбента и по меньшей мере один газопроницаемый элемент, имеющий сквозные каналы и расположенный перпендикулярно направлению движения газа, а также патрубки входа и выхода газа [2] .

Недостатком известной конструкции также является невысокий выход конечного продукта.

Целью изобретения является повышение производительности установки за счет повышения концентрации и выхода конечного продукта - кислорода.

Указанная цель достигается за счет того, что газопроницаемый элемент расположен внутри слоя адсорбента на высоте, составляющей 15 - 85% его общей высоты, а отношение площади поперечного сечения колонны к площади сечения сквозных каналов находится в интервале от 15600 до 280.

На фиг. 1 изображена схема адсорбера с одним газопроницаемым элементом; на фиг. 2 - схема адсорбера с двумя элементами; на фиг. 3 - схема установки для разделения газа с двумя описываемыми адсорберами; на фиг. 4 - график, отражающий влияния положения газопроницаемого элемента на концентрацию кислорода.

Адсорбер содержит вертикальную пустотелую колонну 1 с размещенным в ней слоем селективного адсорбента 2, в качестве которого может быть использован, например цеолит NaX, и по меньшей мере один газопроницаемый элемент 3, имеющий сквозные каналы 4. Элемент 3 должен быть расположен перпендикулярно направлению движения газа и находится в слое адсорбента 2 на высоте от 15 до 85% его общей высоты.

Установка, изображаемая на фиг. 3, содержит два адсорбера 5 и 6, включающих колонны 1 с размещенными в них адсорбентом 2 и газопроницаемыми элементами 3. К адсорберам подходит трубопровод 7 сжатого газа, на котором установлены электроуправляемые клапаны 8, 9, 10 и 11. Трубопроводы вывода фракции лучше сорбирующего компонента ФЛАК обозначены позициями 12, 13, а трубопроводы вывода фракции хуже сорбирующего компонента ФХАК - соответственно 14.

На выходе из адсорберов установлены обратные клапаны 15 и 16. Установка также содержит ресивер 17 и вентиль 18. Адсорбер содержит патрубки входа 19 и выхода 20.

В адсорберах, показанных на фиг. 1 и 2, газопроницаемый элемент выполнен в виде диска со сквозными каналами, зажатого между фланцами, что соответствует условиям проводимых испытаний. Такой тип газопроницаемого элемента не является единственно возможным. Так, например, для получения заданного результата можно использовать газопроницаемый элемент из плотной ткани или войлока, закрепленных с помощью опорной и прижимной шайб. Возможны и другие способы использования газопроницаемого элемента и его закрепления в аппарате.

Работа адсорбера 5 в составе установки осуществляется следующим образом. Сжатый газ, например воздух, вводят в установку по трубопроводу 7. Через открытый электроуправляемый клапан 8 он поступает в адсорбер 5, который заполнен, как указывалось выше, селективным адсорбентом, например цеолитом, в случае получения кислородообогащенной фракции или молекулярно-ситовым активным углем при получении азотообогащенной фракции.

При контакте газа с адсорбентом происходит преимущественная адсорбция ФЛАК. Через обратный клапан 15 в ресивер 17 отводят ФХАК, которую через вентиль 18 и трубопровод 14 направляют на потребление. Одновременно в адсорбере 6 производят удаление ФЛАК. Для этого открывают клапан 11 и через трубопровод 13 сбрасывают газ, заполняющий адсорбер 6, в атмосферу.

Динамика сброса давления газа регенерация адсорбента определяется наличием газопроницаемого элемента 3. Газ, заполняющий адсорбер, практически мгновенно удаляется из части слоя, расположенного между газопроницаемым элементом 3 и патрубком входа газа в адсорбер. Здесь и далее патрубками входа и выхода называются патрубки, выполняющие указанные функции в период продуцирования ФХАК.

Газ, заполняющий объем слоя, расположенного между газопроницаемым элементом и патрубком выхода, выводится медленно за время, определяемое удельной проницаемостью элемента 3. Благодаря этому газ, выводимый из второго объема и по своему составу близкий к составу ФХАК, "промывает" адсорбент, находящийся в первом объеме. Такая "промывка" способствует повышению эффективности процесса разделения.

Спустя определенный промежуток времени (обычно 10 - 60 с) закрывают клапаны 8 и 11 и открывают клапаны 9 и 10. Сброс давления с указанной выше динамикой начинает протекать в адсорбере 5, а в адсорбере 6 происходит подъем давления. В начале быстро заполняется часть слоя, расположенная между входным патрубком и газопроницаемым элементом, затем медленно - часть, находящаяся над ним. Медленное заполнение замыкающей части слоя также способствует повышению эффективности процесса.

После завершения подъема давления адсорбер 6 начинает функционировать в режиме продуцирования также, как это было описано для адсорбера 5.

Циклы повторяются многократно.

Проводились испытания описанной установки для разделения воздуха.

Адсорбер имел диаметр 50 мм, высоту 0,7 м. Газопроницаемые элементы были изготовлены из пластин, имеющих сквозные клапаны, которые в разных количествах и на разных высотах размещали в адсорбере перпендикулярно направлению движения газового потока.

Диаметр клапанов в элементе находился в интервале от 0,2 до 3,0 мм. В качестве адсорбента был использован цеолит NaX. Удельная проницаемость, т. е. объем газа, протекающего через газопроницаемый элемент в единицу времени при перепаде давления 0,01 МПа, отнесенный к единице объема адсорбента в адсорбере, находилась в интервале от 40 до 500 МПа^-1 ˙ мин^-1. Давление составило 0,45 МПа. Длительность каждой стадии составляла 30 с; производительность установки 1 л/мин.

Результаты проведенных испытаний сведены в таблицу (для расположения газопроницаемого элемента на высоте 0,29 по-лной высоты слоя).

Из таблицы видно, что оптимальная концентрация конечного продукта имеет место при отношении площади поперечного сечения колонны к площади сечения сквозных каналов, находящемся в интервале от 15600 до 280. В этом же интервале отношений возрастает расход продукта с постоянной концентрацией кислорода в нем.

Существенность признака, касающегося расположения газопроницаемого элемента на определенной высоте, иллюстрирована графиком, показанным на фиг. 4. Результаты получены в тех же условиях, что и данные таблицы. Отношение площадей составляло 5100. Цифры у кривых отвечают разным относительным высотам: I - 0,29; II - 0,56; III - 0,4; IV - 0,85. Отсчет положения ведется от патрубка продуцирования ФХАК. Из графика видно, что экстремум положения соответствует высоте 30% , а оптимальный интервал находится в пределах от 15 до 85% общей высоты слоя.

Количество элементов (один - три) выбирается из соображений достаточности: размещение каждого последующего элемента приводит к менее существенному эффекту, чем предыдущего.

Использование: в кислородном машиностроении. Сущность изобретения: адсорбер содержит вертикальную пустотелую колонну с селективным адсорбентом. В слое адсорбента на высоте, составляющей 15 - 85% его общей высоты, расположен по меньшей мере один газопроницаемый элемент. Отношение площади поперечного сечения колонны к площади сквозных каналов находится в интервале от 15600 до 280. 4 ил. , 1 табл.

АДСОРБЕР, содержащий вертикальную пустотелую колонну с размещенным в ней слоем селективного адсорбента, по меньшей мере один газопроницаемый элемент, имеющий сквозные каналы и расположенный перпендикулярно к направлению движения газа, и патрубки входа и выхода газа, отличающийся тем, что газопроницаемый элемент расположен внутри слоя адсорбента на высоте, составляющей 15 - 85% от его общей высоты, а отношение площади поперечного сечения колонны к площади сечения сквозных каналов находится в интервале от 15600 до 280.