СПОСОБ МАССООБМЕНА Российский патент 1999 года по МПК B01D53/04 B01D15/00 B01J49/00 B01J20/34 

Изобретение относится к массообменным процессам, при которых происходит поглощение компонентов из газов или растворов твердым пористым поглотителем-адсорбентом, и может быть применено в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен способ массообмена (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984, с. 313-315), включающий циклы с последовательным выполнением в каждом цикле следующих операций: поглощение компонента пористым поглотителем-адсорбентом, из газа или раствора под давлением, сброс давления и удаление газа или раствора из адсорбента путем подачи к последнему тепловой энергии, охлаждение адсорбента, подачу к нему под давлением газа или раствора, содержащего компонент.

Описанный способ имеет ряд существенных недостатков. В следствие того, что технические операции выполняются последовательно, при реализации процессов массообмена по данному способу затрачивается большое количество времени, две трети которого приходится на удаление поглощенного компонента из адсорбента и охлаждение последнего и только одна треть времени затрачивается непосредственно на поглощение компонента.

При реализации этого способа затрачивается большая энергия, на нагрев и нагнетание теплоносителя (газа регенерации), нагрев адсорбента и аппарата, в котором выполняется процесс массообмена, кроме того, затрачивается энергия на создание давления газа или раствора, содержащего компонент, и подаваемый в адсорбент после выполнения его регенерации, то есть после удаления из последнего поглощенного компонента.

В следствии того, что при выполнении способа происходит периодическое разрушение адсорбента и, как следствие, снижение его поглощающей способности, а также сокращение срока его службы.

Из-за того, что перед удалением из адсорбента поглощенного компонента необходимо уменьшать давление, из аппарата, в котором выполняют процесс массообмена, сбрасывают газ обычно на факел, происходит загрязнение окружающей среды продуктами неполного сгорания.

Для реализации процесса массообмена по данному способу в технологической установке необходимо иметь как минимум три адсорбера, в одном из которых производят поглощение компонента из газа или раствора адсорбентом, во втором - удаление компонента и в третьем - охлаждение адсорбента и самого аппарата. Необходимость использования нескольких аппаратов, что приводит к большим капитальным затратам. Обслуживание нескольких аппаратов требует значительного количества обслуживающего персонала, что в свою очередь ведет к повышенным эксплуатационным затратам.

В процессе поглощения компонента из газа или раствора адсорбентом, последний со временем насыщается и снижается его эффективность. Для увеличения времени эффективной работы адсорбента требуется его большая масса. Необходимость применения больших масс адсорбента приводит также к повышенным капитальным затратам.

Описанные недостатки снижают эффективность массообмена в целом по данному способу.

Известен также способ массообмена, реализуемый в адсорбенте по авт. св. N 850178, МКИ B 06 D 53/04, опубл. 30.07.81 г. Б.И. N 28. Способ массообмена включает циклы с последовательным выполнением в каждом цикле следующих операций: поглощение компонентов из газа или раствора пористым поглотителем - адсорбентом под давлением, удаление газа или раствора из адсорбента, сброс давления, подача к адсорбенту энергии в виде тепла и низкочастотных колебаний поглощенного компонента, охлаждение адсорбента после удаления из него поглощенного компонента и повышение давления над адсорбентом с подачей газа или раствора, содержащего компонент.

Энергия низкочастотных колебаний способствует равномерному подогреву всей массы адсорбента и сокращению времени, затрачиваемому на удаление поглощенного компонента, по сравнению с аналогом на 10 - 20%.

Несмотря на достигнутый положительный результат данный способ сохранил основные недостатки аналога, а именно:
- большие затраты времени на последовательное выполнение технологических операций в циклах массообмена;
- большие затраты энергии, расходуемой на нагрев адсорбента и аппарата при удалении поглощенного компонента, на периодическое создание давления газа или раствора;
- термическое разрушение адсорбента из-за периодического его нагрева и охлаждения;
- низкая экологичность из-за загрязнения окружающей среды продуктами горения, которые получают при сжигании газа и сбрасывают при снижении давления над адсорбентом перед удалением из последнего поглощенного компонента;
- наличие большого количества абсорбента для выполнения массообмена;
- большие капитальные затраты на установку, в которой реализуется данный способ, состоящую, как минимум из трех адсорберов.

Кроме перечисленных недостатков описанный способ имеет еще дополнительные, которые связаны с действием низкочастотных колебаний:
- вибрация оборудования и, как следствие, повышенный его износ;
- повышенный износ адсорбента; - негативное воздействие на обслуживающий персонал.

В связи с вышеизложенными недостатками данный способ массообмена является малоэффективным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ массообмена реализуемый в WO 95/09104, B 01 D 29/62, 28.03.96 г. (прототип), в котором адсорбент размещают между электродами и на электроды подают напряжение. Удаление поглощенного компонента в этом способе производят путем нагрева адсорбента.

К недостаткам этого способа следует отнести большой расход электроэнергии, затрачиваемой на нагрев адсорбента и аппарата в процессе массообмена и регенерации.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности, путем уменьшения времени на регенерацию адсорбента, снижение энергозатрат и повышение экологичности процесса массообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в способе массообмена, включающем поглощение компонента из подаваемого газа или раствора, создание в адсорбенте электрического поля с помощью электродов и удаление из адсорбента поглощенного компонента энергией электрического поля, поглощенный компонент перемещают в нескольких слоях адсорбента энергией электрического поля при увеличении напряжения и уменьшении силы тока послойно по течению подаваемого газа или раствора, при этом создают области с низким и высоким содержанием поглощенного компонента, удаление поглощенного компонента производят из области с его высоким содержанием, а газ или раствор подают в область с его низким содержанием. Перемещение поглощенного компонента производят импульсивно путем прерывистой подачи электроэнергии. При перемещении поглощенного компонента периодически кратковременно меняют направление его движения на противоположное путем перемены полюсов на электродах. Область адсорбента с низким содержанием поглощенного компонента охлаждают. Удаление поглощенного компонента выполняют одновременно с подачей газа или раствора. Удаление поглощенного компонента выполняют под давлением, равным давлению подаваемого газа или раствора. Газ или раствор подают противоточно перемещаемому поглощенному компоненту. При удалении поглощенного компонента через область с его высоким содержанием сопутно пропускают газ или раствор, в котором этот компонент отсутствует. Часть удаляемого из адсорбента компонента вводят в область с низким содержанием поглощенного компонента. Подачу газа или раствора производят от слоя к слою. Удаляемый компонент из одного слоя адсорбента подают в последующий слой, расположенный по течению подаваемого газа или раствора.

Перемещение поглощенного компонента в нескольких слоях адсорбента энергией электрического поля при увеличении напряжения и уменьшении силы тока послойно по течению подаваемого газа или раствора, создание тем самым области с низким и высоким содержанием поглощенного компонента, удаление поглощенного компонента из области с его высоким содержанием и подачу газа или раствора в область с его низким содержанием обеспечивает:
- постоянную высокую эффективность поглощения компонента из подаваемого газа или раствора адсорбентом в области с низким содержанием поглощенного компонента за счет поддержания постоянного высокого градиента концентрации этого компонента между подаваемым газом или раствором и адсорбентом;
- низкое потребление энергии, которая расходуется только на перемещение поглощенного компонента и удаление его из адсорбента, и исключение расхода энергии на периодический нагрев и охлаждение адсорбента, а также на создание давления, необходимого для выполнения массообмена;
- непрерывность выполнения основных технологических операций процесса массообмена;
- уменьшение времени на выполнение массообмена путем исключения времени на выполнение вспомогательных операций таких как: сброс давления, удаление газа или раствора из адсорбента, нагрев адсорбента и аппарата, их охлаждение после удаления поглощенного компонента и повышение давления;
- повышение срока службы адсорбента путем исключения периодического его нагревания и охлаждения.

Постоянная высокая интенсивность поглощения компонента из подаваемого газа или раствора адсорбентом, низкое потребление энергии, непрерывность выполнения основных технологических операций, повышенный срок службы адсорбента обуславливают высокую эффективность заявляемого способа массообмена и экологичность процесса массообмена.

Импульсивное перемещение поглощенного компонента обеспечивает уменьшение расхода энергии на 2 - 3% за счет использования инерции движения компонента и действия электрического поля.

Периодические кратковременные изменения направления движения перемещающегося поглощенного компонента на противоположное обеспечивает уменьшение расхода энергии на 3,5 - 4% за счет снижения эффекта облитерации (зарастания молекулами пор адсорбента).

Охлаждение области с низким содержанием поглощенного компонента повышает интенсивность поглощения компонента из подаваемого газа или раствора адсорбентом за счет отвода от последнего тепла, образующегося при диссипации электроэнергии, преодолевающей электросопротивление адсорбента.

Одновременное выполнение удаления поглощенного компонента и подача газа или раствора уменьшает время, затрачиваемое на массообмен.

Выполнение удаления поглощенного компонента под давлением, равным давлению подаваемого газа или раствора, повышает экологичность процесса массообмена за счет исключения периодических сбросов газа или раствора из аппарата, в котором реализуется данный способ, при удалении компонента из адсорбера (регенерации последнего) и исключает энергозатраты на периодическое создание давления после регенерации адсорбента для последующего поглощения им компонента из подаваемого газа или раствора.

Подача газа или раствора противоточно перемещаемому поглощенному компоненту повышает количество поглощенного из газа или раствора компонента за счет совмещения процессов абсорбции, происходящей между потоками поглощенного компонента и подаваемого газа или раствора, и адсорбции компонента из последнего.

Спутное пропускание газа или раствора, в котором компонент отсутствует, с удаляемым поглощенным компонентом через область с его высоким содержанием уменьшает затраты электроэнергии на 12 - 15% за счет эжекционного уноса компонента потоком этого газа или раствора.

Ввод части удаляемого из адсорбента компонента в область с низким содержанием поглощенного компонента уменьшает затраты электроэнергии на 5,3 - 6,2% за счет снижение электрического сопротивления адсорбента при небольших расходах подаваемого газа или раствора и при низкой концентрации в последнем компонента.

Создание областей с низким и высоким содержаниями поглощенного компонента, удаление поглощенного компонента в нескольких слоях адсорбента с подачей газа или раствора от слоя к слою снижает расход энергии на 3 - 4,7% за счет уменьшения пути движения поглощенного компонента в каждом тонком слое адсорбента из области с низким содержанием компонента в область с его высоким содержанием. Кроме того, это повышает срок службы адсорбента за счет снижения его весовой нагрузки.

Послойное по течению подаваемого газа или раствора увеличение электрического напряжения и уменьшение силы тока снижают расход энергии на 3 - 7% за счет установки оптимального режима движения поглощенного компонента в каждом слое адсорбента.

Подача удаляемого компонента из одного слоя адсорбента в предыдущий слой, расположенный по течению подаваемого газа или раствора, повышает эффективность массообмена за счет совмещения процессов классической противоточной адсорбции между подаваемым газом или раствором и компонентом, и адсорбции компонента из подаваемого газа или раствора в каждом слое.

Указанные признаки обеспечивают повышение эффективности процесса массообмена в целом.

Заявителю не известно из существующего уровня техники способа массообмена, в котором увеличение эффективности массообмена, уменьшение энергозатрат и повышение экологичности процесса массообмена было бы достигнуто аналогичным образом.

На фиг. 1 - 5 представлены схемы аппаратов, реализующих предлагаемый способ массообмена.

Схемы аппаратов включают корпус 1, внутри которого помещают адсорбент 2 между электродами: электродами - анодом 3 и катодом 4, при этом анод 3 может быть выполнен полым (фиг. 1) или решетчатым (фиг. 2 - 5), а между корпусом и электродами 3 и 4 выполнены полости 5 (фиг. 1, 4, 5) для удаления компонента. Аппараты, схематично изображенные: на фиг. 2 - 5, содержат патрубки 5 для подачи газа; на фиг. 3 - патрубок 7 для подачи газа, несодержащего компонент; на фиг. 4, 5 - патрубок 8 вывода удаляемого компонента и патрубок 9 для подачи удаляемого компонента; аппарат (фиг. 4) снабжен устройством 10 для нагнетания удаляемого компонента; аппарат (фиг. 5) снабжен коллектором 11.

Способ осуществляется следующим образом.

Через слой адсорбента 2 (фиг. 1), заключенный между электродами (анодом 3 и катодом 4) пропускают поток 12 газа или раствора, содержащего молекулы поглощаемого компонента 15. Из потока 12 молекулы поглощаемого компонента 15 захватываются адсорбентом 2 и осаждаются на его твердой поверхности. На твердой поверхности осажденные молекулы поглощаемого компонента 15 поляризуются от взаимодействия соприкасающихся фаз и избыточной поверхностной энергии адсорбента, образуя вертикально поляризованные молекулы поглощаемого компонента 15. Твердая поверхность адсорбента под вертикально поляризованными молекулами поглощаемого компонента 15 приобретает электрический заряд противоположного ей знака, но равный по величине. В результате на поверхности адсорбента возникает двойной слой вертикально поляризованных молекул поглощаемого компонента 15, обуславливающий электроповерхностное явление - перемещение по твердой поверхности адсорбента вертикально поляризованных молекул поглощаемого компонента 15 под действием энергии электрического поля, создаваемого между электродами 3 и 4, при увеличении напряжения и уменьшении силы тока. Перемещение вертикально поляризованных молекул поглощаемого компонента 15 происходит в сторону одного из электродов (катода 4). При этом в адсорбере создается область с низким содержанием поглощаемого компонента 13 у одного из электродов (анода 3) и область с высоким содержанием поглощаемого компонента 14 у другого электрода (катода 4). Приближаясь к электроду 4 (катоду), вертикально поляризованные молекулы поглощаемого компонента 15 постепенно теряют свою вертикальную поляризацию относительно поверхности адсорбента и более сильно поляризуются горизонтально относительно электродов 3 и 4 (анода и катода). Связь между твердой поверхностью адсорбента и горизонтально поляризованными молекулами поглощаемого компонента 15 при этом ослабляется и над двойным слоем горизонтально поляризованных молекул образуются дополнительные слои молекул поглощаемого компонента 15 горизонтально поляризованных относительно электродов 3 и 4, число которых возрастает над твердой поверхностью адсорбента по мере продвижения молекул поглощаемого компонента 15 к электроду 4 (катоду). При этом непосредственно у электрода 4 (катода) количество молекулярных слоев поглощенного компонента 15 достигает такой величины, что молекулы поглощенного компонента 15 покидают адсорбент. Удаление поглощаемого компонента 15 осуществляют из области 14 через решетчатый электрод 4 (катод) в полость 5 (фиг. 1).

Пример. Раствор диэтиленгликоля (ДЭГа) 12 (фиг. 1-5), содержащий водный компонент в количестве 2% (мас.) подают в адсорбент 2 - цеолит NaA 2. Адсорбент 2 поглощает водный компонент 15 из раствора ДЭГа. В адсорбенте 2 с помощью электродов 3 и 4 создают электрическое поле. Энергией этого поля при увеличении напряжения и уменьшении силы тока в нескольких слоях адсорбента 2 перемещают водный компонент 15 и создают при этом области с низким 13, расположенным у электрода 3 (анода), и высоким 14, расположенным у электрода 4 (катода), содержанием водного компонента 15, путем перемещения последнего от электрода 3 (анода) к электроду 4 (катоду), а удаляют водный компонент 15 из области 14, с высоким его содержанием, через решетчатый электрод 4 (катод) (фиг. 1 - 5), выполненный из металлизированной полупроницаемой мембраны (проницаемой для молекул водного компонента и непроницаемой для больших молекул ДЭГа), в полость 5 (фиг. 1), или через патрубок 8 (фиг. 4, 5). Раствор 12 (фиг. 2 - 5) подают через патрубок 6 в область 13 с низким содержанием водного компонента 15. Очищенный от водного компонента 15 ДЭГ 16 и удаленный из адсорбента водный компонент 17 отводятся.

С целью уменьшения расхода энергии обеспечивают импульсное перемещение водного компонента 15 (фиг. 1 - 5) путем прерывистой подачи электроэнергии, причем время подачи относится ко времени перерыва как 1:2. Экономия энергии происходит за счет использования инерции движения водного компонента.

С этой же целью также периодически и кратковременно меняют направление движения перемещающегося водного компонента 15 (фиг. 1 - 5) путем перемены полюсов на электродах 3 и 4. Время работы с измененным направлением движения водного компонента 15 находится в пределах от 5 до 200 секунд. Уменьшение расхода электроэнергии происходит за счет снижения эффекта облитерации.

С целью повышения интенсивности поглощения водного компонента 15 из подаваемого многокомпонентного газового потока 12 адсорбентом 2, область 13 (фиг. 1) с низким содержанием водного 15 охлаждают хладагентом (технической водой), который пропускают внутри полого электрода 3 (анода). Цель достигается за счет отвода от адсорбента тепла, образующегося при диссипации электроэнергии, преодолевающей электросопротивление адсорбента 2.

Для уменьшения времени, затрачиваемого на массообмен путем обеспечения непрерывности этого процесса выполняют одновременное (фиг. 1 - 5) удаление водного компонента 15 и подачу многокомпонентного углеводородного газа 12.

С целью повышения экологичности водный компонент 15 удаляют под давлением подаваемого многокомпонентного газа 12 (фиг. 1-5). Цель достигается за счет исключения периодических сбросов газа из аппарата и энергозатрат на периодическое создание давления после регенерации адсорбента 2.

С целью повышения эффективности массообмена путем совмещения процессов адсорбции, и удаления водного компонента 15 многокомпонентный газовый поток 12 (фиг. 2 - 5) подают противоточно перемещаемому водному компоненту 15.

На фиг. 3 схематично представлено удаление поглощенного компонента через область с его высоким содержанием 14 путем пропускания газа 18 (или раствора), в котором этот компонент отсутствует, спутно потоку 17 удаляемого водного компонента. Пропускаемый газ 18 (или раствор) подают из отверстий патрубка 7 в область 14 с высоким содержанием компонента. А подаваемый газ 12 (или раствор), содержащий компонент, подают через отверстия патрубков 6 в область 13 с низким содержанием компонента. Потоки 18 и 12 противоположно направлены, не пересекаются друг с другом и поэтому не создают дополнительного сопротивления в процессе массообмена.

С целью уменьшения затрат электрической энергии при небольших расходах подаваемого многокомпонентного газа 12 при низкой концентрации водного компонента 15 в нем путем снижения электрического сопротивления адсорбента часть потока (фиг. 4) удаляемого из адсорбента 2 поглощаемого (водного) компонента 17 устройством 10 нагнетают в область 13 адсорбента 2 с низким содержанием поглощенного компонента 15.

С целью уменьшения затрат электроэнергии путем уменьшения пути движения поглощенного (водного) компонента, создают (фиг. 5) области с низким 13 и высоким 14 содержанием водного компонента 15 выполняют удаление поглощенного (водного) компонента 17 в нескольких слоях 19, 20, 21 адсорбента 2, а подачу газа 12 производят от слоя 19 к слою 20 и от слоя 20 к слою 21.

По мере продвижения подаваемого многокомпонентного газа 12 (фиг. 5) из него адсорбируется водный компонент 15, и содержание последнего в адсорбенте 2 уменьшается от слоя 19 к слою 21, при этом электрическое сопротивление адсорбента увеличивается от слоя к слою и, как следствие, увеличивается расход электроэнергии. С целью снижения расхода электроэнергии путем установления оптимального режима движения поглощенного компонента и его удаления, в адсорбенте 2 послойно по течению подаваемого многокомпонентного газа 12 электрическое напряжение увеличивают, а силу тока уменьшают. Устанавливают в слое 19 минимальное напряжение U_min и максимальную силу тока I_max, в слое 20 - среднее напряжение U_med и среднюю силу тока I_med, в слое 21 - максимальное напряжение U_max и минимальную силу тока I_min, которые подбирают для каждого адсорбента.

С целью повышения эффективности массообмена путем совмещения процессов классической противоточной адсорбции (фиг. 5), удаляемый компонент 17 из одного слоя 21 адсорбента 2 подают по патрубку 8 коллектора 11 и патрубку 9 в предыдущий слой 20, расположенный по течению подаваемого газа 12, из слоя 21 удаляемый компонент аналогично подают в слой 19.

Таким образом использование предлагаемого способа позволило повысить эффективность, путем уменьшения времени на регенерацию адсорбента, снижение энергозатрат и повышение экологичности процесса массообмена.

Изобретение предназначено для массообменных процессов, при которых происходит поглощение компонентов из газов или растворов твердым пористым поглотителем. Способ массообмена включает поглощение компонента из подаваемого газа или раствора, создание в адсорбенте электрического поля с помощью электродов и удаление из адсорбента поглощенного компонента энергией электрического поля. Поглощенный компонент перемещают в нескольких слоях адсорбента энергией электрического поля при увеличении напряжения и уменьшении силы тока послойно по течению подаваемого газа или раствора, при этом создают области с низким и высоким содержанием поглощенного компонента. Удаление поглощенного компонента производят из области с его высоким содержанием, а газ или раствор подают в область с его низким содержанием. Данное изобретение позволяет уменьшить время на регенерацию адсорбента, снизить энергозатраты и повысить экологичность процесса массообмена. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ массообмена, включающий поглощение компонента из подаваемого газа или раствора, создание в адсорбенте электрического поля с помощью электродов и удаление из адсорбента поглощенного компонента энергией электрического поля, отличающийся тем, что поглощенный компонент перемещают в нескольких слоях адсорбента энергией электрического поля при увеличении напряжения и уменьшении силы тока послойно по течению подаваемого газа или раствора, при этом создают области с низким и высоким содержанием поглощенного компонента, и удаление поглощенного компонента производят из области с его высоким содержанием, а газ или раствор подают в область с его низким содержанием. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемещении поглощенного компонента производят импульсивно путем прерывистой подачи электроэнергии. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемещении поглощенного компонента периодически кратковременно меняют направление его движения на противоположное путем перемены полюсов на электродах. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что область адсорбента с низким содержанием поглощенного компонента охлаждают. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление поглощенного компонента выполняют одновременно с подачей газа или раствора. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление поглощенного компонента выполняют под давлением, равным давлению подаваемого газа или раствора. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ или раствор подают противоточно перемещаемому поглощенному компоненту. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при удалении поглощенного компонента через область с его высоким содержанием сопутно пропускают газ или раствор, в котором этот компонент отсутствует. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть удаляемого из адсорбента компонента вводят в область с низким содержанием поглощенного компонента. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу газа или раствора производят от слоя к слою. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаляемый компонент из одного слоя адсорбента подают в последующий слой, расположенный по течению подаваемого газа или раствора.