АДСОРБЕР Российский патент 2011 года по МПК B01D53/04 

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 адсорбцией, содержащая заполненные гранулированным адсорбентом адсорберы, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки подключены к ресиверу. Каждый адсорбер выполнен двухходовым с внутренней обечайкой, формирующей центральную полость, к которой подсоединен выходной патрубок, и кольцеобразную периферийную полость, к которой подсоединен входной патрубок. Ось внутренней обечайки и ось его 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 B01D 53/04, C01B 13/02, 1997 г).

Однако такая конструкция адсорбера не обеспечивает достаточную функциональную надежность по сохранению основных технических характеристик адсорбционного материала в циклах адсорбции-десорбции. В процессе эксплуатации происходит изменение сопротивления потоку из-за повышенного механического износа гранулированного адсорбента. Это обусловлено тем, что процесс короткоцикловой адсорбции протекает с циклическим изменением направления газового потока и неравномерного распределения потока газа по объему адсорбера.

Известен адсорбер для разделения газов короткоцикловой адсорбцией, содержащий корпус, заполненный гранулированным цеолитовым адсорбентом, 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 №2557809, МПК B01D 53/04, 1985 г.).

Такое конструктивное выполнение адсорбера способствует выравниванию скоростей газового потока по объему адсорбера и снижению механического износа адсорбционного материала.

Однако механический износ гранулированного адсорбента приводит к пылеобразованию, в результате чего на фильтрующей перегородке происходит накопление фрагментов разрушившихся частиц адсорбента, пылевидная часть которых задерживается в порах фильтрующей перегородки, что приводит к значительному росту сопротивления и, соответственно, к снижению эффективности процесса разделения. В результате снижается надежность работы адсорбера.

Известен также адсорбер для разделения газов короткоцикловой адсорбцией, содержащий корпус, в котором смонтированы трубы с каналами, общий объем которых не превышает 20% от объема адсорбера, штуцерами для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные решетками, в которых закреплены трубы (заявка США №2008/0282892, МПК B01D 53/047, 2008 г.).

Однако недостатком данной конструкции является то, что поток газа соприкасается со слоем адсорбента по поверхности каналов в трубах, что делает работу адсорбера недостаточно надежной из-за неравномерного распределения потока газа по объему адсорбера.

Задачей изобретения является повышение надежности работы адсорбера за счет снижения механического износа адсорбента, достижение более равномерного распределения потока по объему адсорбера.

Технический результат заключается в повышении надежности блока адсорбента, снижении его гидравлического сопротивления и достижении равномерного распределения потока.

Технический результат достигается тем, что в адсорбере для короткоцикловой адсорбции, содержащем корпус, с помещенным в него монолитным адсорбентом и штуцерами для подвода и отвода обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, в качестве адсорбента использован монолитный цеолитный блок в виде полого цилиндра, при этом штуцер подвода обрабатываемой газовой среды и отвода продукционного газа при регенерации адсорбента является прижимным и выполнен в виде перфорированного патрубка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а второй штуцер отвода продукционного газа при его очистке и подачи продукционного газа на промывку адсорбента при регенерации адсорбента соединен с корпусом неподвижно.

Монолитный цеолитный блок выполнен в виде равнотолщинного стакана.

Монолитный цеолитный блок выполнен с толщиной стенок 0,2-0,3 наружного диаметра блока для обеспечения требуемой чистоты продукционного газа.

Монолитный цеолитный блок содержит газопроницаемое связующее. Монолитный цеолитный блок, в котором в качестве газопроницаемого связующего использовано глинистое связующее каолинитовой или монтмориллонитовой природы.

Между прижимным штуцером подвода и отвода газа и торцом монолитного цеолитного блока установлена перфорированная пластина, снабженная выступами для центровки цеолитного блока.

Использование в качестве адсорбента монолитного цеолитного блока в виде полого цилиндра и выполнение штуцера подвода обрабатываемой газовой среды и отвода продукционного газа при регенерации адсорбента прижимным в виде перфорированного патрубка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а второго штуцера отвода продукционного газа при его очистке и подачи продукционного газа на промывку адсорбента при регенерации адсорбента неподвижно соединенным с корпусом обеспечивает:

1. Отсутствие износа цеолита при работе в циклах сорбции-десорбции;

2. Снижение габаритов адсорбционного блока;

3. Исключение так называемых зон переохлаждения за счет исключения застойных зон;

4. Простоту обслуживания, удобство замены и возможность ремонта за счет использования перфорированного патрубка, который обеспечивает не только подвод и отвод газовой среды, но и герметизацию цеолитного блока;

5. За счет простоты конструкции цеолитного блока и удобства его изготовления обеспечивается его освоение для серийного производства.

Выполнение монолитного цеолитного блока в виде равнотолщинного стакана обеспечивает равномерность сопротивления на всей его поверхности, повышение его механической прочности за счет исключения напряжений при его термической обработке.

Выполнение монолитного цеолитного блока с толщиной стенок 0,2-0,3 наружного диаметра блока обеспечивает чистоту продукционного газа не ниже 30%.

Выполнение монолитного цеолитного блока с газопроницаемым связующим обеспечивает механическую прочность блока в процессе эксплуатации и отсутствие изменения сопротивления потоку.

Использование в монолитном цеолитном блоке в качестве газопроницаемого связующего глинистого связующего каолинитовой или монтмориллонитовой природы обеспечивает механическую прочность блока при сохранении необходимой адсорбционной емкости.

Выполнение прижимного штуцера с перфорацией в виде отверстий диаметром 0,2-0,4 внутреннего диаметра прижимного штуцера позволяет добиться более равномерного распределения скорости потока, по сравнению с неперфорированным штуцером аналогичного сечения. Применение монолитного цеолитного адсорбента в виде блока с толщиной стенки 0,2-0,3 наружного диаметра монолитного цеолитного блока снижает механический износ и пылеобразование и исключает забивание пылью пор адсорбента при работе адсорбера, приводящее к увеличению сопротивления потоку. Поэтому адсорбер способен работать в реверсивном потоке, не меняя своего сопротивления в течение всего межремонтного периода эксплуатации.

Использование монолитного цеолитного адсорбента позволяет добиться производительности по продукционному газу, эквивалентной производительности адсорбера с гранулированным адсорбентом, при меньших размерах и массе адсорбера. Это возможно за счет уменьшения толщины слоя адсорбента и использования длительности цикла адсорбции-десорбции менее 2 сек.

Установка между прижимным штуцером подвода и отвода газа и торцом монолитного цеолитного блока установлена перфорированная пластина, снабженная выступами для центровки цеолитного блока, обеспечивает равномерность распределения потока по объему адсорбера, исключает разрушение при фиксации блока в адсорбере и обеспечивает фиксацию блока в адсорбере.

На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого устройства.

На фиг.1 показан общий вид адсорбера в разрезе,

на фиг.2 показан перфорированный прижимной штуцер,

на фиг.3 - то же, что на фиг.2, сечение по А-А;

на фиг.4 показан штуцер продукционного газа,

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, сечение по Б-Б,

на фиг.6 показана перфорированная пластина,

на фиг.7 - то же, что на фиг.6, вид сбоку.

Адсорбер для короткоцикловой адсорбции содержит корпус 1, в нижней части которого установлена крышка 2 с резьбовым отверстием по центру, в которое установлен штуцер 3. Кольцевая прокладка 4 установлена между крышкой 2 и нижним торцом монолитного цеолитного блока 5. В верхней части корпуса 1 в резьбовом отверстии установлен перфорированный прижимной штуцер 6, взаимодействующий с перфорированной пластиной 7, которая установлена на верхнем торце монолитного цеолитного блока 5. Перфорированный прижимной штуцер 6 фиксируется контргайкой 8. Штуцер 6 снабжен резьбой 9 для ввертывания в резьбу корпуса 1. Нижняя часть штуцера 6 снабжена перфорацией 10. Штуцер 3 продукционного газа своим резьбовым участком 11 ввернут в крышку 2. Перфорированная пластина 7 снабжена центрующими выступами 12 и перфорацией 13, равномерно распределенной по поверхности пластины.

Кольцевая прокладка 4 изготавливается из мягкой резины, чтобы обеспечить надежный контакт с нижним торцом цеолитного монолитного блока 5. Перфорированная пластина 7 имеет перфорацию в виде отверстий, а также три выступа, которые обеспечивают ее фиксацию в радиальном направлении. Радиальные зазоры между выступами обеспечивают доступ воздуха в кольцевой зазор между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса адсорбера 1 и наружной цилиндрической поверхностью монолитного цеолитного блока 5. Нижняя часть прижимного штуцера 6 имеет перфорацию, что позволяет осуществлять ввод (вывод) газового потока в адсорбер (из адсорбера), при этом площадь отверстий примерно равна площади поперечного сечения штуцера, что обеспечивает отсутствие резкого изменения скорости потока и позволяет избежать гидравлических ударов.

Монолитный цеолитный блок 5 изготавливается из адсорбента типа Х в натриевой или литиевой формах (литиевая форма является предпочтительной, так как обладает большей емкостью и селективностью по азоту).

Сборка устройства осуществляется следующим образом.

При ослабленной контргайке 8 перфорированный прижимной штуцер 6 выдвигается в крайнее верхнее положение и снимается крышка 2. В полость адсорбера 1 вдвигается пакет, содержащий перфорированную пластину 7 и цеолитный блок 5 до упора в торец штуцера 6. После установки кольцевой прокладки 4 крышка 2 устанавливается в корпусе 1. Затем вращением перфорированного прижимного штуцера 6 осуществляется герметизация цеолитного блока 5 в корпусе адсорбера 1. Герметичность может проверяться путем пропускания воздуха через штуцеры 6 и 3 по величине сопротивления потоку.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Через прижимной штуцер 6 по центральному каналу и перфорации 10 в адсорбер подается разделяемый воздух под давлением от 0,1 до 0,3 МПа. Через отверстия 13 в перфорированной пластине 7, через промежутки между выступами 12 воздух поступает в кольцевой зазор между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и наружной цилиндрической поверхностью монолитного цеолитного блока 5. Проходя через слой адсорбента, воздух за счет избирательности поглощения освобождается от азота, и воздух с избыточным содержанием кислорода поступает на выход продукционного газа через штуцер 3 продукционного газа.

При сбросе давления воздух с избытком азота сбрасывается из адсорбера через прижимной штуцер 6 в атмосферу. При этом количество воздуха, проходящего адсорбент в обоих направлениях, примерно равно. Часть продукционного газа (30-50% от общего количества) при сбросе давления вновь поступает в адсорбер через штуцер 3. Этого количества продукционного газа достаточно, чтобы осуществить промывку адсорбента, после чего адсорбент вновь готов к адсорбции азота.

Устройство позволяет повысить надежность работы адсорбера при эксплуатации в реверсивном потоке. Одновременно достигается снижение массы адсорбера, уменьшение его размеров и обеспечение стабильной работы в процессе короткоцикловой безнагревной адсорбции.

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией, в частности к адсорберам для осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса разделения воздуха. Устройство содержит корпус 1 с помещенным в него монолитным адсорбентом 5 и штуцеры для подвода и отвода обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента. В качестве адсорбента использован монолитный цеолитный блок в виде полого цилиндра. Штуцер 6 подвода обрабатываемой газовой среды и отвода продукционного газа при регенерации адсорбента является прижимным и выполнен в виде перфорированного патрубка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Второй штуцер 3 отвода продукционного газа при его очистке и подачи продукционного газа на промывку адсорбента при регенерации адсорбента соединен с корпусом неподвижно. Между прижимным штуцером 6 подвода и отвода газа и торцом монолитного цеолитного блока 5 установлена перфорированная пластина 7, снабженная выступами для центровки цеолитного блока. Устройство позволяет повысить надежность работы адсорбера при эксплуатации в реверсивном потоке, обеспечить равномерное распределение потока, снизить гидравлическое сопротивление и массу адсорбера, уменьшить его размеры. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции, содержащий корпус с помещенным в него монолитным адсорбентом и штуцеры для подвода и отвода обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, отличающийся тем, что в качестве адсорбента использован монолитный цеолитный блок в виде полого цилиндра, при этом штуцер подвода обрабатываемой газовой среды и отвода продукционного газа при регенерации адсорбента является прижимным и выполнен в виде перфорированного патрубка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а второй штуцер отвода продукционного газа при его очистке и подаче продукционного газа на промывку адсорбента при регенерации адсорбента соединен с корпусом неподвижно.

2. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции по п.1, отличающийся тем, что монолитный цеолитный блок выполнен в виде равнотолщинного стакана.

3. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции по п.1 или 2, отличающийся тем, что монолитный цеолитный блок выполнен с толщиной стенок 0,2-0,3 наружного диаметра блока, что обеспечивает достаточную чистоту продукционного газа.

4. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции по п.1, отличающийся тем, что монолитный цеолитный блок содержит газопроницаемое связующее.

5. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции по п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве газопроницаемого связующего использовано глинистое связующее каолинитовой или монтмориллонитовой природы.

6. Адсорбер для короткоцикловой адсорбции по п.1, отличающийся тем, что между прижимным штуцером подвода и отвода газа и торцом монолитного цеолитного блока установлена перфорированная пластина, снабженная выступами для центровки цеолитного блока.