АДСОРБЦИОННАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F04B37/02 

Изобретение относится к области компримирования газов, а точнее к компрессорным установкам, использующим для своей работы тепловую энергию, и может использоваться в химической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известна компрессорная установка для компримирования водорода, содержащая два попеременно охлаждаемых и нагреваемых генератора-адсорбера, заполненные твердым адсорбентом и периодически подключаемые посредством обратных клапанов к линиям водорода низкого и высокого давлений (соответственно н.д. и в.д.). Каждый генератор-адсорбер снабжен металлическим сосудом, размещенным в слое адсорбента и заполненным гидридом интерметаллида, причем сосуды соединены между собой посредством трубопровода, снабженного вентилем. К адсорберу-генератору с охлаждаемым адсорбентом подводится водород н.д. и охлаждающая среда, что сопровождается адсорбцией газа н.д. После завершения процесса адсорбции к насыщенному адсорбенту подводится тепло и осуществляется процесс десорбции, сопровождающийся повышением давления водорода, который направляется в линию в.д. Одновременно во втором генераторе-адсорбере реализуются обратные процессы - нагрев с десорбцией водорода, а затем охлаждение с его адсорбцией (Авторское свидетельство СССР №857662, 1979).

Недостатком известной компрессорной установки является то, что в ней не обеспечивается интенсивный равномерный подвод тепла к адсорбенту от греющей среды (теплоносителя) и интенсивный равномерный отвод тепла от адсорбента к охлаждающей среде (хладоносителю), что не позволяет рационально использовать сорбционную емкость генераторов-адсорберов, увеличивает время цикла, снижает эффективность работы и, соответственно, производительность установки.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы и производительности адсорбционной компрессорной установки за счет существенной интенсификации процессов подвода и отвода тепла в адсорберах-генераторах.

Поставленная задача решается путем создания и использования в адсорбционной компрессорной установке генераторов-адсорберов радиально-спирального типа.

Адсорбционная компрессорная установка для компримирования газов содержит два попеременно охлаждаемых и нагреваемых генератора-адсорбера радиально-спирального типа, заполненных твердым адсорбентом и периодически соединяемых в режиме адсорбции с линиями газа н.д. и хладоносителя, а в режиме десорбции - с линиями газа в.д. и теплоносителя, а также соединительных трубопроводов запорной и регулирующей арматуры. Попеременный ввод генераторов-адсорберов в режим адсорбции и десорбции осуществляется с помощью обратных и трехходовых переключающих клапанов, установленных на линиях подвода-отвода рабочих сред - компримируемого газа, теплоносителя и хладоносителя.

Каждый генератор-адсорбер состоит из вертикального цилиндрического корпуса с патрубками подвода и отвода рабочих сред, теплообменного блока, установленного вдоль вертикальной оси корпуса с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического распределительных коллекторов, используемых попеременно для организации потоков теплоносителя и хладоносителя, и распределительной и сборной камер для компримируемого газа, которые отделены от упомянутых распределительных коллекторов герметичными горизонтальными перегородками.

Теплообменный блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплопередающих элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса.

Теплопередающий элемент выполнен полым из двух стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали, сваренных между собой по двум горизонтальным сторонам и образующих во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал, каждый из которых сообщен с периферийным и центральным распределительными коллекторами для перемещения теплоносителя или хладоносителя.

Благодаря наличию дистанционирующих выступов между прилегающими друг к другу теплопередающими элементами образованы наружные вертикальные щелевые каналы спиралеобразного сечения, сообщенные с распределительной и сборной камерами для перемещения в аксиальном направлении компримируемого газа и заполненные адсорбентом.

Для предотвращения уноса адсорбента теплообменный блок закрыт сверху и снизу перфорированными крышками с размером ячеек перфорации, меньшим размера гранул адсорбента.

В качестве теплоносителя может использоваться, например, горячий газ, водяной пар и горячая вода. При этом использование для этой цели водяного пара и горячей воды исключает необходимость периодической очистки радиально-спиральных каналов от отложений.

Кроме того, если в качестве теплоносителя предусматривается применение водяного пара с конденсацией его в генераторе-адсорбере, целесообразно для сохранения чистоты образующегося конденсата использовать для охлаждения генераторов-адсорберов систему оборотного водоснабжения, заполненную конденсатом или химочищенной водой.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его использования и прилагаемыми чертежами:

на фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой установки (левый генератор-адсорбер - в режиме десорбции, правый - в режиме адсорбции);

на фиг.2 - общий вид генератора-адсорбера радиально-спирального типа, продольный разрез;

на фиг.3 - поперечное сечение А-А на фиг.2;

на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.3, фрагмент теплообменного блока.

Установка (фиг.1) содержит два генератора-адсорбера 1 и 2 с теплообменными блоками 3 и 4, твердый адсорбент 5 и 6, трехходовые переключающие клапаны 7, 8, 9 и 10, обратные клапаны 11, 12, 13 и 14, линию 15 подвода газа н.д., линию 16 отвода газа в.д., линии 17 и 18 соответственно подвода и отвода теплоносителя, линии 19 и 20 соответственно подвода и отвода хладоносителя. При этом переключающие клапаны 7 и 8 подключены к линиям 17 и 19 подвода соответственно теплоносителя и хладоносителя, переключающие клапаны 9 и 10 - к линиям 18 и 20 отвода соответственно теплоносителя и хладоносителя, обратные клапаны 11 и 12 - к линии 15 газа в.д., а обратные клапаны 13 и 14 - к линии 15 газа н.д.

Генератор-адсорбер (фиг.2, 3 и 4) содержит вертикальный цилиндрический корпус 21 с патрубками подвода 22 и отвода 23 компримируемого газа и патрубками подвода 24 и отвода 25 попеременно теплоносителя и хладоносителя. В корпусе 21 вдоль вертикальной оси установлен теплообменный блок 26 теплопередающих элементов 27 с образованием центрального цилиндрического коллектора 28 и периферийного кольцевого коллектора 29 для теплоносителя (хладоносителя), а также нижней распределительной камеры 30 и верхней сборной камеры 31 для компримируемого газа. Нижняя распределительная камера 30 отделена от центрального 29 и периферийного 30 коллекторов внутренней и наружной герметичными перегородками соответственно 32 и 33, а верхняя сборная камера 31 - внутренней и наружной герметичными перегородками соответственно 34 и 35. Теплообменный блок 26 сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплопередающих элементов 27, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса 21. Каждый теплопередающий элемент 27 выполнен полым и представляет собой две сваренные по двум горизонтальным сторонам стенки 36 с дистанционирующими выступами, имеющие в поперечном сечении форму спирали и образующие во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал для потоков попеременно теплоносителя и хладоносителя. Все радиально-спиральные щелевые каналы сообщаются с центральным 28 и периферийным 29 коллекторами для перемещения рабочей среды. Между прилегающими друг к другу теплопередающими элементами 27 образованы вертикальные щелевые каналы 37 спиралеобразного сечения, заполненные адсорбентом 5 с размером гранул 1-6 мм и сообщенные с нижней распределительной камерой 30 и верхней сборной камерой 31 для перемещения в аксиальном направлении компримируемого газа. Для предотвращения уноса адсорбента 5 теплообменный блок 26 закрыт снизу и сверху перфорированными крышками 3 8 и 39 с размером ячеек перфорации, меньшим размера гранул адсорбента.

Установка работает следующим образом.

Стадия I. Генератор-адсорбер 1 функционирует в режиме десорбции, а генератор-адсорбер 2 - в режиме адсорбции. Из линии 17 через переключающий клапан 7 горячий теплоноситель подается в радиально-спиральные каналы теплообменного блока 3 генератора-адсорбера 1 и через стенки 36 теплопередающих элементов 27 нагревает адсорбент 5, размещенный в вертикальных щелевых каналах 37 этого теплообменного блока. При повышении температуры адсорбента из него под высоким давлением выделяется газ, адсорбированный на предыдущей стадии, который через обратный клапан 11 поступает в линию в.д. 16; при этом обратный клапан 13 закрыт под действием разности давлений газа в генераторе-адсорбере 1 и в линии 15. Охлажденный теплоноситель из теплообменного блока 3 через переключающий клапан 9 выводится из установки в линию 18.

В это же время генератор-адсорбер 2 функционирует в режиме адсорбции. Из линии 19 через переключающий клапан 8 в радиально-спиральные каналы теплообменного блока 4 генератора-адсорбера 2 подается хладоноситель, благодаря чему в аппарате создается низкое давление и идет поглощение адсорбентом газа н.д., поступающего из линии 15 через обратный клапан 14. Обратный клапан 12 при этом закрыт под действием разности давлений газа - высокого давления за обратным клапаном 12 и низкого давления перед ним. Отепленный хладоноситель через переключающий клапан 10 выводится в сливную линию 20.

Стадия II. После завершения процесса десорбции в генераторе-адсорбере 1 и процесса адсорбции в генераторе-адсорбере 2 путем одновременного переключения клапанов 7, 8, 9 и 10 осуществляется смена режимов работы этих аппаратов, и генератор-адсорбер 1 переводится в режим адсорбции, а генератор-адсорбер 2 - в режим десорбции.

По сравнению с известными техническими решениями предлагаемая адсорбционная компрессорная установка имеет следующее существенные преимущества:

1. В генераторах-адсорберах установки адсорбент разделен на тонкие слои, а подвод и отвод тепла к адсорбенту производится с обеих сторон каждого слоя, благодаря чему обеспечивается интенсивный и равномерный подвод тепла (в режиме десорбции) и отвод тепла (в режиме адсорбции), стабильный температурный режим, равномерное распределение компримируемого газа по зернистому слою адсорбента и, как следствие, - эффективное использование сорбционной емкости аппаратов и высокая производительность установки.

2. Обеспечивается возможность применения высокоэффективного мелкозернистого адсорбента, благодаря чему достигается существенное улучшение массогабаритных характеристик генераторов-адсорберов и установки в целом.

3. При использовании в качестве теплоносителя конденсирующегося в аппарате водяного пара, а в качестве хладоносителя - чистой воды от системы оборотного водоснабжения, исключается необходимость периодической очистки радиально-спиральных каналов теплообменных блоков от отложений, а также исключается загрязнение образующегося конденсата и обеспечивается возможность его повторного использования в качестве питательной воды в парогенераторе или котле-утилизаторе.

При рассмотрении изложенного выше материала следует понимать, что для специалистов в данной области техники представляются очевидными другие изменения и модификации вышеупомянутой установки, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Описанный выше вариант предмета изобретения следует рассматривать как иллюстрацию сущности изобретения, не ограничивающую объем изобретения.

Изобретение относится к области компримирования газов, а точнее к компрессорным установкам, использующим для своей работы тепловую энергию, и может использоваться в химической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности. Установка содержит два попеременно охлаждаемых и нагреваемых генератора-адсорбера, каждый из которых представляет собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого установлен теплообменный блок радиально-спирального типа, причем в аксиальные щелевые каналы загружается твердый адсорбент, а в радиально-спиральные щелевые каналы подаются попеременно теплоноситель и хладоноситель. Генераторы-адсорберы подключаются в режиме адсорбции к линиям газа низкого давления и хладоносителя, а в режиме десорбции - к линиям газа высокого давления и теплоносителя. Перевод адсорберов-генераторов с режима адсорбции на режим десорбции осуществляется с помощью обратных и трехходовых переключающих клапанов. Изобретение позволяет повысить эффективность и производительность установок такого типа, а также снизить габариты и металлоемкость. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Адсорбционная компрессорная установка, содержащая два попеременно охлаждаемых и нагреваемых генератора-адсорбера, заполненных твердым адсорбентом и периодически подключаемых в режиме адсорбции к линиям газа н.д. и хладоносителя, а в режиме десорбции - к линиям газа в.д. и теплоносителя, а также соединительных трубопроводов запорной и регулирующей арматуры, отличающаяся тем, что каждый генератор-адсорбер содержит вертикальный цилиндрический корпус, снабженный патрубками для подвода и отвода газа низкого и высокого давлений, теплоносителя и хладоносителя, вдоль вертикальной оси корпуса установлен теплообменный блок с образованием периферийного кольцеобразного и центрального цилиндрического коллекторов, используемых попеременно для организации потоков теплоносителя и хладоносителя, и распределительной и сборной камер для компримируемого газа, которые отделены от упомянутых коллекторов герметичными горизонтальными перегородками, теплообменный блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплопередающих элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, теплопередающий элемент выполнен полым из двух стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали, сваренных между собой по двум горизонтальным сторонам и образующих во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал, каждый из которых сообщен с периферийным и центральным коллекторами для перемещения теплоносителя или хладоносителя, а благодаря наличию дистанционирующих выступов между прилегающими друг к другу теплопередающими элементами образованы вертикальные щелевые каналы спиралеобразного сечения, сообщенные с распределительной и сборной камерами для перемещения в аксиальном направлении компримируемого газа и заполненные твердым адсорбентом, причем для предотвращения уноса адсорбента теплообменный блок закрыт сверху и снизу перфорированными крышками с размером ячеек перфорации, меньшим размера гранул адсорбента.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что попеременный перевод генераторов-адсорберов из режима адсорбции в режим десорбции и обратно осуществляется с помощью трехходовых переключающих клапанов, установленных на линиях подвода и отвода теплоносителя и хладоносителя, а также обратных клапанов, установленных на нагнетательной и всасывающей сторонах генераторов-адсорберов.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя в ней используется водяной пар, а в качестве хладоносителя - чистая вода системы оборотного водоснабжения.