СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСУШИТЕЛЯ ВОЗДУХА Российский патент 2001 года по МПК B01J20/10 B01J20/02 B01J20/32 

Изобретение относится к получению сорбентов - осушителей воздуха, представляющих собой гигроскопические неорганические вещества, расположенные на пористом носителе, и может быть использовано для осушки газовоздушных потоков в различных областях промышленности и техники.

Широко известно применение в качестве сорбентов-поглотителей, сорбирующих по механизму образования химических соединений, различных реагентов нанесенных на пористую основу для развития поверхности массообмена, что повышает скорость протекания процесса и сорбционную емкость поглотителей. В качестве пористой основы для получения как химических поглотителей [1], так и осушителей, поглощающих влагу за счет реакции гигроскопических соединений с парами воды [2], чаще всего применяется активированный уголь.

Наряду с этим, в качестве сложных сорбентов-влагопоглотителей используются композиции гидрогеля кремнекислоты с полипропиленовой кислотой [3], модифицированные алюмосиликаты [4], пропитанные щелочью алюмосиликаты [5] и асбесты [6] , импрегнированные гигроскопичными хлоридами щелочных и/или щелочноземельных металлов кристабалит [7] и активный оксид алюминия [8]. Импрегнированный сорбент может быть также заключен в полупроницаемые для воды оболочки [9].

Свойства полученного сорбента-осушителя во многом определяются видом используемого в качестве пористой основы носителя. К ним могут относиться силикагели, полученные по обычному способу [10, 11], смеси-композиции силикагеля с активным оксидом алюминия, синтезированные гидротермальным методом [12]. Носителями могут быть различные алюмосиликаты, которые готовят, вводя в реакционную смесь, содержащую SiO₂, Al₂O₃, органически ориентирующие агенты формулы R₁R₂R₃R₄Q и растворитель или смесь растворителей [13], смешанные оксиды алюминия, кремния, титана, циркония с добавкой ванадия и сурьмы [14] , формованные цеолиты [15]. Кроме этого в качестве носителя могут использоваться усиленные осажденные кремнеземы, полученные введением в силикаты натрия, растворимых солей щелочных металлов или кислот с направленным изменением основных режимов процесса [16], сложные оксиды титана и циркония [17], а также носители, полученные смешением различных макропористых компонентов, например глин или осажденного оксида алюминия для образования макропористого носителя [18].

Недостатком технических решений, являющихся аналогами заявляемого решения, является или сложность получения носителей [12-13, 16, 17], или склонность пористых материалов (силикагелей) к растрескиванию при контакте с капельножидкой водой [10, 11], или наличие у образцов слишком малого размера пор, препятствующего введению в пористую структуру гигроскопической добавки [15], либо слишком большого размера пор, что ведет к плохому удерживанию обводненного гигроскопического агента в пористой структуре [18].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, описанный в патенте РФ N 2077944, МКИ⁶ В 01 J 20/32, 20/02, С 01 В 31/08, В 01 D 53/28 [19] , сущность которого заключается в пропитке гранул сорбента раствором галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов с концентрацией 20 - 40 мас.% при температуре 80 -100^oC, при соотношении сорбента и раствора 1: (0,3 - 0,5) с сушкой при 180 - 230^oC и повторением пропитки и сушки в тех же режимах. В качестве основы-носителя применяют активные угли (например, АГ- 3), активный оксид алюминия (АОА-1 по ГОСТ 8136-85) или силикагель крупнопористый КСК по ГОСТ 3956-76. Указывается, что способ позволяет получить сорбент-осушитель с повышенной сорбционной способностью (динамической сорбционной емкостью) по парам воды.

Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая динамическая сорбционная емкость сорбента-осушителя по парам воды.

Задачей является повышение динамической сорбционной емкости получаемого осушителя по парам воды.

Поглотительная способность осушителя, импрегнированного различными гигроскопическими веществами во многом, если не в основном, определяется количеством размещенной в пористой структуре добавки и ее свойствами (способностью присоединять и удерживать воду, не расплываться и не вытекать из пористой структуры и т.п.). По этой причине для использования в качестве пористой основы-носителя в наибольшей степени подходят крупнопористые силикагели, характеризующиеся развитым объемом пор (1,0-1,2 см³/г) при их высокой однородности (узком распределении по размерам) и оптимальном, как показывает практика, размере (диаметр 15 - 30 нм), который обеспечивает хорошее впитывание импрегнирующего раствора, хорошие кинетические и динамические характеристики процесса осушки с использованием готового осушителя, не осложненные диффузионными ограничениями, а также не допускает вытекания обводненного в процессе осушки (работы осушителя) импрегната из пористой структуры носителя. Активные угли промышленного изготовления, как правило, не обладают в такой степени развитыми порами вышеприведенных размеров (мезопоры), объем которых обычно не превышает 0,3 - 0,5 см³/г и даже суммарно вместе с микропорами (так называемый "предельный объем сорбционного пространства" - W_s) обычно составляет не более 0,4 - 0,7 см³/г. При этом следует отметить, что активные угли характеризуются сравнительно гидрофобной поверхностью, что вносит некоторый негативный вклад в процесс поглощения и перераспределения молекул воды в пористой структуре импрегнированного материала. Активный оксид алюминия (АОА) свободен от таких недостатков, как гидрофобность, однако при наличии в нем пор с линейными размерами 15 - 25 нм образцы характеризуются объемом пор не более 0,7 см³/г (например, АОА изготовления России, марок А-15, А-64), а при более высоком объеме пор, достигающем 0,8 - 1,0 см³/г, образцы характеризуются высокими линейными размерами, достигающими 600 нм для значительной части пор (АОА изготовления России марки А-1). АОА изготовления развитых стран мира, обычно характеризуются объемом пор 0,4 - 0,7 см³/г при линейном размере, равном 10-25 нм (Кайзер Алюминиум, США, марка КА-201; Харшоу, США, марки А1-0104Т и А1-1404Т; Пешине-Сент-Гобан, Франция, марки GCS-300 и SCM-250; Гудри Хюлле, ФРГ, марки Н0401 и Н0415-Н0417). Изредка их объем пор достигает 1,0 см³/г (БАСФ, ФРГ, марка А).

Как видно из вышеизложенного, с позиций характеристики пористой структуры для использования в качестве основы-носителя импрегнированного сорбента-осушителя в наибольшей степени подходят крупнопористые силикагели.

Однако следует подчеркнуть, что силикагели, обладая высокими внутренними напряжениями в текстуре материала, при контакте с капельно-жидкой водой (как в процессе получения, так и в процессе эксплуатации) растрескиваются, что ведет к утрате прочностных свойств поглотителя.

Говоря о импрегнирующей добавке, следует отметить, что использование только хлорида кальция не позволяет достичь значительных характеристик получаемого поглотителя в силу недостаточно высокой гигроскопической способности импрегната. В то же время использование индивидуальной добавки хлорида лития приводит при высокой поглотительной способности импрегнированного сорбента к некоторому оплыванию образцов, что связано с выливанием оплывшего импрегната из пор носителя.

Исходя из вышеизложенного, поставленная задача решается использованием в качестве сорбента-основы водостойкого крупнопористого силикагеля, который пропитывают раствором смеси хлоридов кальция и лития с дальнейшей сушкой, причем пропиточный раствор содержит 5 - 25 мас.% хлорида кальция и 5-25 мас. % хлорида лития, а соотношение объемов сорбента-основы и пропиточного раствора составляет 1: (0,8-1,2).

Содержание хлорида кальция в пропиточном растворе более 25 мас.% и хлорида лития менее 5 мас.% приводит в получению сорбента-осушителя с недостаточно высокой поглотительной способностью по парам воды, а содержание в растворе хлорида кальция менее 5 мас. % и хлорида лития больше 25 мас.% приводит к плохому удерживанию импрегнирующей добавки в порах носителя.

Опытным путем установлено оптимальное объемное соотношение сорбент - раствор, равное 1:(0,8-1,2). Внесение меньшего количества раствора приводит к получению неоднородного продукта, так как объем раствора недостаточен для равномерной пропитки всех зерен сорбента, а большее количество раствора плохо впитывается носителем, соль кристаллизуется на его поверхности и ухудшает свойства поглотителя, оплывая на его поверхности при эксплуатации во влажном потоке. Также в этом случае не проникший в пористую структуру хлорид осыпается с поверхности гранул при сушке, что снижает технологические показатели процесса получения импрегнированного осушителя.

Формование силикагеля обычно производят с помощью неорганического связующего (золь кремневой кислоты, переосажденный гидроксид алюминия, бентонитовая глина и др.), которое смешивают с размолотым до фракции 5 - 50 мкм крупнопористым силикагелем (при содержании связующего в пересчете на готовые сухие гранулы 15-20 мас.%) с образованием пластичной пасты, формуемой любым эктрузионным способом в гранулы с дальнейшей сушкой получаемого продукта.

Пропитка гранул сорбента-основы производится при 80-100^oC для обеспечения оптимальной вязкости пропиточного раствора в течение 10-15 мин с однократной или (что более предпочтительно с точки зрения получения более однородного продукта) двукратной обработкой, после чего сорбент-поглотитель сушат при температуре 200 - 220^oC в течение 2 - 4 часов в печи "кипящего слоя" или с циркуляцией горячего воздуха.

Пример 1. Берут 1 дм³ формованного водостойкого силикагеля и помещают его в пропиточный аппарат. Готовый раствор, содержащий хлорид кальция - 5 мас. % и хлорид лития - 25 мас.%, подают в аппарат из расчета 1 дм³ на 1 дм³ сорбента. Другие, не заявляемые условия получения поглотителя, приведены в предыдущем абзаце.

Остальные примеры получения поглотителя сведены в таблицу.

Полученные образцы поглотителей испытывались в потоке влажного воздуха при следующих условиях: линейная скорость 0,6 м/с; высота слоя 0,1 м; диаметр адсорбера 0,03 м; температура потока 25^oC; относительная влажность воздуха 80%; проскоковая концентрация 10% от исходной.

Результаты проведенных испытаний приведены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что при осуществлении пропитки формованного водостойкого высокопористого силикагеля растворами, содержащими 5 -25 мас.% хлорида кальция и 5-25 мас.% хлорида лития, и соотношении объемов сорбента-основы и пропиточного раствора 1: (0,8 - 1,2) достигается повышение поглотительной динамической емкости по парам воды.

Превышение содержания хлорида лития в пропиточном растворе выше заявляемого интервала и снижение в растворе содержания хлорида кальция приводит к оплыванию зерен импрегнированного сорбента-осушителя в процессе его эксплуатации (обр.2). Низкое содержание хлорида лития и высокое содержание хлорида кальция в растворе ведет к получению образца с низкой динамической емкостью (обр. 5). Низкое или высокое соотношение объемов используемых сорбента и пропиточного раствора приводит к получению неоднородного продукта, который характеризуется соответственно либо низкой поглотительной способностью (обр. 6), либо оплываемостью гранул (обр.9).

Использование другой основы для нанесения гигроскопической добавки (прототип) в силу ее недостаточно развитой пористой структуры приводит к низкой поглотительной способности материала (образцы по прототипу на основе активного угля - АУ и активного оксида алюминия - АОА).

Таким образом, использование в качестве пористой основы водостойкого силикагеля, который пропитывают предложенным раствором с определенным соотношением основы и раствора, приводит к повышению качества материала, его эксплуатационных характеристик, а также увеличению срока использования без регенерации.

Перечень патентов, принятых во внимание при составлении заявки.

1. Пат. РФ N 2098175, МКИ⁶ В 01 J 20/20, C 01 В 31/08.

2. Пат. РФ N 2081823, МКИ⁶ C 01 В 31/08, В 01 J 20/32.

3. Заявка Великобритании N 2269377, МКИ⁶ C 01 В 33/14.

4. Пат. CША N 5052188, МКИ⁶ F 25 D 17/08, В 01 J 29/06.

5. Пат. США N 5151395, МКИ⁶ 5 В 01 J 20/18, 20/02.

6. Пат. США N 5085838, МКИ⁶ C 01 В 33/24, В 09 В 3/00, A 62 D 3/00.

7. Пат. Японии N 4-29414, МКИ⁵ В 01 J 20/10.

8. Пат. WO N 9533555, МКИ⁶ В 01 J 20/04.

9. Пат. Японии N 4-33491, МКИ⁵ В 01 J 20/26, A 23 В 7/02, А 23 L 1/00, 3/40, В 01 J 20/28.

10. Заявка США N 5234673, MKИ⁵ COl В 33/12, 33/18.

11. Заявка США N 5229096, МКИ⁵ C 01 В 33/143.

12. Заявка Германии N 4228711, МКИ⁵ C 01 В 33/113, C 04 В 35/18.

13. Заявка США N 5215737, МКИ⁵ C 01 В 33/34.

14. Заявка Германии N 4428595, МКИ⁶ В 01 J 23/22.

15. Пат. США N 5120693, МКИ⁵ В 01 J 20/18.

16. Пат. США N 5094829, МКИ⁵ C 01 В 33/18.

17. Пат. Японии N 63-44336, МКИ В 01 J 21/06.

18. Заявка США N 5395808, МКИ⁶ В 01 J 21/16.

19. РФ N 2077944, МКИ⁶ В 01 J 20/32, 20/02, C 01 В 31/08, В 01 D 53/28 (прототип).

Изобретение относится к твердым пористым композиционным поглотителям влаги, представляющим собой гигроскопические неорганические вещества, расположенные на пористом носителе, и может быть использовано для осушки газовоздушных потоков от паров воды в различных областях промышленности и техники. Сущность изобретения: смесь хлоридов лития и кальция, представляющих собой гигроскопические вещества, наносят на пористую основу, представляющую собой размолотый силикагель, связанный в прочные водостойкие гранулы различными минеральными связующими, путем пропитки раствором, содержащим 5 - 25 мас. % хлорида кальция и 5-25 мас.% хлорида лития, при соотношении объемов сорбента-основы и пропиточного раствора 1 : (0,8 - 1,2). Способ позволяет получить сорбент с высокой динамической емкостью по парам воды. 1 табл.

Способ получения осушителя воздуха, включающий пропитку гранул сорбента раствором хлорида кальция и хлорида лития и их сушку, отличающийся тем, что в качестве сорбента-основы берут водостойкий высокопористый силикагель, который пропитывают раствором, содержащим 5 - 25 мас.% хлорида кальция и 5 - 25 мас. % хлорида лития, при соотношении объемов сорбента-основы и пропиточного раствора 1 : (0,8 - 1,2).