УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ИЛИ ИСКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЧАСТИЦ МЕЖДУ ДВУМЯ СЛОЯМИ Российский патент 2022 года по МПК B01J8/04 B01D53/04 

Настоящее изобретение относится к устройству, предназначенному для помещения между нижним слоем и верхним слоем частиц, расположенных внутри цилиндрической оболочки, для ограничения или предотвращения перемещения частиц между слоями.

Это устройство, расположенное в зоне взаимодействия между двумя средами частиц, является пористым для любых текучих сред, которые могут циркулировать внутри оболочки. Оно разработано таким образом, чтобы оставаться в контакте как с нижним, так и с верхним слоями даже в случае оседания этих слоев. Его можно использовать в реакторе, адсорбере или, в более общем смысле, в любой емкости для хранения, в которой необходимо, чтобы различные слои частиц были идеально разделены, в то же время оставляя возможность для свободно циркуляции текучей среды. Поперечное сечение указанной оболочки может быть любым, но в основном будет круглым, в этом случае оболочка принимает форму цилиндра с вертикальной осью.

Во многих промышленных процессах часто возникает необходимость помещения один поверх другого различных слоев частиц и предотвращения любого смешивания между этими слоями. Типичным примером этого является способ получения чистого водорода с использованием PSA (адсорбция при переменном давлении). Адсорберы, используемые в таком процессе, обычно принимают форму цилиндров с вертикальной осью. Снизу вверх, таким образом, оболочка может иметь впускное отверстие/выпускное отверстие для циркуляции текучих сред (обрабатываемый газ, остаточный газ и т.д.), опору решетчатого типа, например, различные слои инертных частиц, способствующие правильному распределению газа по всему поперечному сечению адсорбера (керамические шарики или любой другой продукт различной формы, разработанный для этого использования), и затем, расположенные один поверх другого различные слои адсорбентов, выбранные для оптимизации отделения водорода от примесей. Если газ, подлежащий обработке, поступает из процесса парового риформинга, то могут иметь место, последовательно, активированный оксид алюминия, активированный уголь и несколько типов цеолита (5A, 13X, LiLSX, и т.д.) для последовательной задержки воды, вторичных примесей, CO2, метана, монооксида углерода и азота. Над последним слоем адсорбента снова могут быть инертные шарики, предназначенные для сокращения мертвого объема верхнего купола адсорбера, чтобы способствовать оптимальному распределению газа и предотвращать передвижение частицы адсорбента и т.д. Различные слои, таким образом, будут иметь различные характеристики. Таким образом, их можно дифференцировать:

- по форме: шарики, седла, палочки, пеллеты, листы, гранулы, дробленый материал, бочонки (перфорированные пеллеты), и т.д.;

- по размерам: от нескольких сантиметров для поддерживающих элементов до менее миллиметра для определенных слоев цеолита, например, и т.д.;

- по плотности: от менее 500 грамм на литр активированного угля до нескольких килограммов в случае использования стальных шариков в качестве инертных элементов и т.д.;

- по состоянию поверхности от гладкой стенки (керамика, определенные адсорбенты и т.д.) до неровной стенки (активированный уголь и т.д.), или даже угловатой или имеющей шероховатости.

Следует отметить, что может возникнуть желание разделить два последовательных слоя идентичных продуктов. Некоторые адсорбенты (активированный уголь, цеолиты) могут, например, быть регенерированы поставщиком после первого использования, во время которого они были загрязнены, как правило, влагой. После обработки они затем восстанавливают почти всю свою первоначальную адсорбирующую способность, но в целях безопасности обычно используются в качестве защитного слоя под одним и тем же адсорбентом в свежем или незагрязненном состоянии, а не смешиваются с ним.

Следует понимать, что, например, в случае Н2 PSA любое смешивание слоев может отрицательно повлиять на процесс. Это может привести к локальным частичным блокировкам, приводящим к неправильному распределению циркулирующих текучих сред, к слоям неоднородной толщины, к присутствию адсорбента в зонах, в которых этот адсорбент не должен присутствовать (риск отравления, если он находится ближе к впускному отверстию подачи, чем предполагалось, и попадет в присутствие примесей, несовместимых с его правильной работой, риск неэффективности, если, с другой стороны, он окажется в зоне ближе к выпускному отверстию, чем предполагалось, на этот раз в присутствии примесей, для которых он показывает только очень ограниченную аффинность).

Насколько это возможно, специалист в данной области будет использовать последовательность из материалов в виде частиц, которые по своей природе не могут смешиваться. Шарики, поддерживающие адсорбенты, или катализаторы и то, что распределяет текучие среды, являются лучшим примером этого. Поставщики разработали ряд продуктов, последовательное многослойное использование которых исключает любую возможность смешивания, даже у стенки.

При обсуждении слоев материалов в виде частиц следует сразу отметить два важных момента:

- взаимное расположение частиц внутри одного и того же слоя зависит от того, как был заполнен слой. Доля пустот подстилающего слоя, таким образом образованного, является переменной, и для подстилающего слоя шариков одинакового размера, будет практически находиться в диапазоне, например от 0,34 до 0,39, при этом теоретически потенциальный диапазон геометрически возможных крайних значений укладки может быть даже больше. В случае совокупностей шариков, демонстрирующих определенный разброс по диаметру, эта доля пустот может быть ниже. Аналогично, разброс по сферичности может привести к тому, что подстилающие слои будут демонстрировать большее или меньшее количество оседания. Это оказывает непосредственное воздействие на плотность подстилающего слоя, который, к слову, является плотно упакованным подстилающим слоем или, в противном случае, неплотно упакованным подстилающим слоем. Эти эффекты хорошо известны и, в частности, для данной совокупности позволяют определить свободную площадь поперечного сечения, через которую частицы меньшего размера способны проникать внутрь себя и, как результат, постепенно продвигаться вниз через подстилающий слой. Этот подход более неудобен в случае частиц различных форм, и могут потребоваться испытания для определения доли пустот и ограничения взаимного проникновения.

- Стенка создает неравномерность в расположении частиц подстилающего слоя. Поскольку поверхность стенки, как правило, плоская, доля локальных пустот отличается от таковой внутри подстилающего слоя. Эта доля пустот в целом выше в этой точке и это косвенно влияет на расстояние нескольких частиц. Как и прежде, эти эффекты были изучены и известны специалистам в данной области.

Таким образом, для поддержки подстилающего слоя адсорбента, изготовленного из почти сферических шариков (сферичность более 0,95) со средним диаметром 3,0 мм и менее 1% шариков, имеющих диаметр меньше 2,7 мм, возможно разместить, последовательно, сверху опорной решетки 10 см керамических шариков диаметром 20 мм, затем 10 см шариков диаметром 10 мм, и наконец 10 см шариков диаметром 5 мм. Это обеспечит правильное распределение циркулирующих текучих сред и опору без риска взаимного проникновения даже у стенки.

Этот весьма благоприятный сценарий из учебников, к сожалению, не встречается в промышленных приложениях, и часто необходимо обеспечить систему для предотвращения смешивания двух совокупностей частиц, уложенных одна на другую. Необходимость установки такой системы может быть связана с соответствующими физическими характеристиками двух контактирующих слоев и/или с использованием материалов.

Физические характеристики включают соответствующие размеры и плотности частиц двух слоев. Например, для ограничения перепадов давления может быть необходимо использовать первый слой адсорбента относительно большого размера, за которым следует тонкий слой небольшого размера во фронтальной зоне, для улучшения рабочих характеристик процесса. При увеличении размера в 2–2,5 раза существует риск того, что меньшие шарики попадут в нижний слой, особенно возле стенки. Другой сценарий, который демонстрирует риски перемешивания, – это сценарий, в котором верхний слой состоит из частиц с плотностью выше, чем у нижнего слоя. Из-за своего большего веса частицы наверху могут локально разделять частицы нижнего подстилающего слоя и постепенно продвигаться вниз через этот слой в результате относительной подвижности материалов. Также существуют события, которые могут привести к смешиванию слоев, которые являются предположительно стабильными. К ним могут относиться удары или вибрации, возникшие во время транспортировки, или вследствие близости машин. Текучие среды, циркулирующие через различные подстилающие слои, могут также вызывать смешивание, будь то в результате их высокой скорости или в результате изменений условий. Это могут быть события, которые происходят во время нормальной работы (например, каждый раз, когда клапаны открываются) или случайно (несвоевременное открытие клапана и т.д.).

Следует отметить, что в некоторых случаях можно добавить между двумя последовательными слоями, которые были определены как оптимальные в отношении процесса, промежуточный слой, роль которого будет заключаться в предотвращении какого-либо перемещения частиц. Этот слой может быть инертным по отношению к способу или просто не оптимальным. Например, в стопке, содержащей слой активированного оксида алюминия диаметром 2 мм, обычно лежащий под слоем цеолита диаметром 0,6 мм, между ними может быть помещен буферный слой толщиной несколько сантиметров цеолита диаметром 1,2 мм во избежание рисков перемещения. Помимо несколько неблагоприятного эффекта, связанного с более медленной кинематикой, это усложняет заполнение путем добавления дополнительного материала, который необходимо вводить осторожно, учитывая минимальную высоту, которая должна быть установлена.

При этом в качестве отправной точки возникает одна проблема, заключающаяся в предоставлении улучшенных средств ограничения или предотвращения перемещения частиц между по меньшей мере двумя слоями различных материалов в виде частиц.

Решением по настоящему изобретению является устройство, предназначенное для помещения между нижним слоем и верхним слоем частиц, расположенных внутри цилиндрической оболочки, для ограничения или предотвращения перемещения частиц между слоями, при этом указанное устройство содержит:

i) герметизирующую мембрану, изготовленную из ткани или из сетки, имеющую:

- диаметр, по существу равный внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, и

- ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

и

ii) кольцо из ткани, имеющее:

- ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

- длину, эквивалентную внутреннему периметру основания цилиндрической оболочки,

- верхнюю часть, имеющую верхний конец, предназначенный для прикрепления по всей своей длине к внутренней стенке цилиндрической оболочки, и

- нижнюю часть, предназначенную для укладывания на нижний слой частиц или на герметизирующую мембрану,

при этом герметизирующая мембрана и нижняя часть кольца из ткани расположены одна поверх другой, и зона перекрытия между мембраной и кольцом из ткани составляет менее 150 миллиметров, предпочтительно менее 100 миллиметров.

«Эквивалентный диаметр» частицы – это диаметр сферы с той же удельной площадью поверхности, причем удельная площадь поверхности представляет собой площадь по отношению к объему рассматриваемой частицы.

Утверждение, что размер сетки ткани меньше, чем эквивалентный диаметр частиц, на самом деле означает меньший, чем наименьший из эквивалентных диаметров частиц верхнего и нижнего слоев. В случае разброса размера частиц может быть даже желательно иметь размер сетки меньше не эквивалентного диаметра, а скорее меньше самых маленьких частиц.

Термину «ткань» здесь дано очень широкое значение, обозначающее гибкий материал, изготовленный из нитей и имеющий свободные проходы, обеспечивающие возможность циркуляции текучей среды и, более конкретно, газа. Ткань предпочтительно будет тканой. Под «тканым» здесь предпочтительно подразумевается элемент, полученный путем переплетения нитей и имеющий правильные отверстия. Ткань может быть соткана и получена путем переплетения параллельных туго натянутых нитей (нитей основы) и нитей, проходящих перпендикулярно им (уточных нитей), с использованием подходящего оборудования (челнока, бесчелночного станка, микрочелночного ткацкого станка и т.д.). Существует огромное множество возможных плетений, которые могут быть получены согласно способам переплетения нитей и характеристикам нитей основы и утка (простое квадратное плетение, квадратное перевивочное переплетение, перевивочное переплетение, настилочные плетения, ломаная саржа и т.д.).

Ткани покрывают весьма обширную область, с нитями, диаметр которых может находиться в диапазоне от порядка одного миллиметра до нескольких десятков микрон, при этом большая часть находится в диапазоне от 0,5 мм до 40 микрон. Отверстие (пустота) обычно составляет от нескольких миллиметров до приблизительно ста микрон. Сама по себе доля пустот составляет от 20 до 80%, чаще от 30 до 70%.

Гибкая ткань может иметь тенденцию морщиться или скручиваться на своих концах. Чтобы избежать этих недостатков, может потребоваться добавить ребра жесткости сразу после установки. Это могут быть, например, стержни, удерживающие его в планарном положении. Такие устройства, если они присутствуют, никоим образом не изменяют принципа изобретения.

Может оказаться целесообразным использование для мембраны более жесткого материала, который будет называться в данном документе сеткой, без ущерба для способа, с помощью которого она производится, или ее механических характеристик.

В целом эта мембрана будет, таким образом, изготовлена из нескольких предварительно нарезанных секторов, с целью более легкого введения в оболочку. Эти секторы, например, две полусекции, могут быть соединены вместе (например, сшиты вместе с помощью металлической нити), чтобы обеспечить требуемый уровень герметичности при установке внутри оболочки.

Под выражением «мембрана с диаметром, по существу равным диаметру оболочки» подразумевается то, что необходимо учитывать производственные допуски на кольцо-оболочку и на мембрану и для упрощения введения последней в оболочку. Следовательно, диаметр мембраны будет составлять, например, внутренний диаметр оболочки, + 10 мм. В случае относительно жесткой мембраны (сетки, согласно используемой здесь терминологии), будут предприняты шаги для обеспечения того, чтобы ее диаметр был немного меньше диаметра кольца-оболочки, чтобы облегчить правильное размещение. Ориентировочно составит скорее +0, -20 мм.

В устройстве согласно настоящему изобретению, в свою очередь, будет представлять собой гибкую ткань, причем составляющий материал будет выбран из металлов или полимеров.

В качестве примера, ткань, используемая в контексте настоящего изобретения, может быть тканью, изготовленной из переплетенных нитей нержавеющей стали диаметром 0,2 мм с отверстиями размером 0,45 мм на 0,45 мм.

За счет его признаков, устройство согласно настоящему изобретению можно рассматривать как плавучую систему. Особенно, под термином «плавучая система» подразумевается устройство, которое остается в контакте с верхним и нижним слоями, даже в случае оседания подстилающих слоев («подстилающий слой» означает «слой»), особенно нижних подстилающих слоев. Такое оседание со временем (транспортировка, работа и т.д.) будет в большей или меньшей степени зависеть от качества первоначального заполнения частицами, в целом будет оставаться небольшим по протяженности. Например, оно может составлять порядка 1–5 сантиметров максимум, для подстилающего слоя при первоначальной высоте один метр. Кроме того, такое оседание в целом влияет на всю массу материала в виде частиц, что означает, что верхняя зона взаимодействия слоя, подверженного этому явлению, остается приблизительно горизонтальной. Устройство, используемое для достижения разделения, которое сопровождает движение вниз частиц, на которых оно лежит, таким образом остается в контакте с нижним слоем, за движением которого оно следует, и, конечно же, с верхним слоем, который всегда лежит на нем и способствует этому контакту. Одним из преимуществ плавучей системы является то, что верхний слой частиц прикладывает давление к зоне взаимодействия с нижним слоем, ограничивая возможности движения частиц. Таким образом, снижается риск истирания, и обычно можно использовать более высокие скорости потока для циркулирующих текучих сред. Часто это роль слоя, расположенного прямо наверху оболочки, поэтому для этого выбирается материал с высокой плотностью (керамика, металл и т.д.).

Следует отметить, что под оседанием нижнего слоя на практике понимается оседание любых различных нижних слоев, которые там могут быть. В частности, с того момента, как различные слои начинают опираться один на другой, оседание первого слоя передается всем вышележащим слоям.

Предпочтительно, верхняя часть кольца имеет эластичность, позволяющую удлиняться, чтобы компенсировать оседание нижнего слоя частиц до 25 мм. Эта эластичность будет внутренней или полученной путем формования.

В зависимости от случая устройство согласно настоящему изобретению может иметь один или несколько из следующих признаков:

- зона перекрытия между мембраной и кольцом будет составлять по меньшей мере 25 мм;

- кольцо из ткани содержит металлические или полимерные нити с диаметром, меньшим или равным 200 микрон;

- герметизирующая мембрана содержит металлические или полимерные нити с диаметром, большим или равным 200 микрон.

Принцип, лежащий в основе изобретения, заключается в том, что герметичность по периферии достигается независимо от основного уплотнения, которое само по себе достигается обычным способом с использованием герметизирующей мембраны, изготовленной из ткани или сетки. Таким образом, герметичность по периферии достигается просто в результате перекрытия между кольцом из ткани, прикрепленным к стенке кольца-оболочки, и герметизирующей мембраной без каких-либо систем для соединения друг с другом. Это просто вес верхнего слоя частиц, который обеспечивает и поддерживает контакт между двумя поверхностями. При расположении сверху герметизирующая мембрана может также способствовать этому контакту из-за своего собственного веса.

Перекрытие, конечно, должно быть достаточным для предотвращения перемещения частиц между кольцом и герметизирующей мембраной не только во время заполнения, но так же и во время работы блока. Следовательно, есть возможность принять во внимание оседание нижнего слоя (или слоев).

Относительно оседания, следует держать в уме, что процессы производства газа или разделения газа, для которых предпочтительно предназначена эта система разделения, должны иметь максимальные плотности заполнения, чтобы хорошо функционировать, и для загрузки их материалами в виде частиц (катализаторами, адсорбентами и т.д.) применять подходящие способы и устройства, позволяющие частицам сыпаться вниз и достигать этого результата плотного заполнения. Остаточное оседание, которое может возникать, таким образом является небольшим, порядка, например, 0,5–2%. Таким образом, слой толщиной 2 м обычно будет усаживаться только на 10–40 мм. Эту длину необходимо будет добавить к минимальной зоне перекрытия. Следует отметить, что движение устройства согласно настоящему изобретению обычно будет очень медленным, если блок был заполнен правильно и действовал в соответствии с правилами уровня техники, в ином случае необходимо будет выбрать для кольца из ткани и мембрана из ткани материалы, внешний вид поверхности которых позволяет такое скольжение. Это обычно бывает в случае использования стандартных тканей и ячейки. Также будет следует понимать, что материал герметизирующей ткани должен быть достаточно гибким, чтобы иметь возможность изгибаться и продолжать плотно прилегать к стенке кольца-оболочки во время оседания.

Путем добавления к оседанию минимальной остаточной зоны перекрытия в 25 мм, или 20-кратного диаметра мельчайших частиц, в первом приближении получают размер ширины нижней части кольца ткани. Для подстилающего слоя 2 метра высотой, выполненного из шариков адсорбента 2 мм в диаметре, получена минимальная рабочая ширина 80 мм для нижней части кольца из ткани, которая предназначена для укладывания на нижний слой частиц или на герметизирующую мембрану, хотя более вероятно, из-за обычного качества заполнения, она составит порядка 50–60 мм. Следует понимать, что чем лучше оседание и, чем меньше толщина нижнего слоя, тем меньшей будет зона перекрытия. В этом случае, например, предполагается зона перекрытия 25–40 мм. Ниже 25 мм герметичность в большинстве случаев становится сомнительной.

Устройство согласно настоящему изобретению может потенциально иметь следующие признаки:

Верхняя часть кольца, а именно часть, прикрепленная к цилиндрической оболочке, имеет свойство удлиняться таким образом, чтобы по меньшей мере частично сопровождать движение герметизирующей мембраны в случае оседания нижнего слоя (или слоев).

Эта эластичность материала может быть свойственной (например, полимерной ткани) или созданной за счет локальных деформаций, примененных по меньшей мере локально к указанной ткани (например, металлическая ткань с небольшими складками). В обоих случаях эта эластичность позволит кольцу под действием веса верхнего слоя частиц удлиняться на несколько миллиметров или даже на несколько сантиметров, чтобы по меньшей мере частично компенсировать оседание. При этом (горизонтальная) нижняя часть кольца может оставаться почти неподвижной по отношению к герметизирующей мембране или, как минимум, ограничивать свое относительное движение по отношению к мембране.

Составляющий материал и диаметр кольца из ткани и герметизирующей мембраны, и размеры отверстий определяют их механическую прочность и их жесткость (или гибкость). Для этого применения предпочтительно использование нитей, изготовленных из нержавеющей стали. Нити диаметром, равным или меньшим 200 микрон, предпочтительно порядка 100 микрон, гарантируют, что полоса, используемая для периферийной герметичности, будет достаточно гибкой. Нити диаметром, большим или равным 200 микрон, предпочтительно большим или равным 250 микрон, придают герметизирующей мембране определенной жесткости. Однако, как правило, нельзя использовать волокна диаметром более 1000 микрон. Выбор диаметра для нитей, из которых делается герметизирующая мембрана, обычно является результатом компромисса между гибкостью и механической прочностью. На практике будут использоваться нити большего диаметра в случае крупных частиц, например шариков диаметром 10 мм.

Как теперь будет показано, важно минимизировать ширину нижней части герметизирующего кольца.

Кольцо-оболочка с внутренним диаметром 2000 мм будет рассматриваться как пример того, как это сделать. Поскольку желательно, чтобы ткань, которая будет размещаться по периферии, не имела никаких разрезов, эта ткань будет состоять из полосы длиной 6280 мм (без учета перекрытия полосы на концах).

Если в качестве меры безопасности было бы желание использовать, например, кольцо, имеющее нижнюю часть шириной 500 мм, внутренний диаметр (который означает диаметр круга, оставшегося свободным в центре кольца) тогда будет 1000 мм, а соответствующая длина будет всего 3140 мм. На практике это означает, что полоса локально в два раза длиннее. Таким образом, оно лучше всего разместится на нижнем слое шариков, создавая складки случайных размеров и ориентаций. Простые тесты демонстрируют, что затем могут формироваться пути, предлагающие достаточно места для прохождения частиц. Если, с другой стороны, принять толщину 60 мм для нижней части кольца, тогда внутренняя окружность будет равна приблизительно 5900 мм. Затем это смещается от избыточной длины более 3 м до менее 0,4 м, или, более конкретно, в процентном выражении длины полосы, от 50% до 6%. Таким образом, больше нет риска возникновения больших складок, которые перекрывают друг друга и образуют так много потенциальных путей для частиц.

Следует отметить, что система согласно настоящему изобретению особенно хорошо подходит для оболочек большого диаметра. Таким образом, введение герметизирующего кольца становится проще. Это также может позволить использовать большую ширину перекрытия без образования складок, способных создавать проходы, которые действуют как пути для частиц.

Также следует отметить, что в некоторых случаях существует возможность ограничения или даже исключения вышеупомянутой избыточной длины посредством предварительного формования. Определенные металлические ткани, например, первоначально образованные квадратным переплетением, можно локально растянуть, чтобы образовать ромбовидную форму. Растянутая таким образом деталь претерпевает изменения в геометрии, при этом существует возможность увеличения ширины и в то же время уменьшения длины. Такой способ используется для придания металлической ткани различных форм. Примененный здесь, он позволил бы придать ткани геометрические размеры идеального кольца.

Другим объектом настоящего изобретения является блок, содержащий:

- цилиндрическую оболочку,

- нижний слой и верхний слой частиц, при этом слои помещены один поверх другого в указанной оболочке,

- устройство, как определено в изобретении, помещенное между нижним слоем и верхним слоем частиц.

В зависимости от случая блок в соответствии с настоящим изобретением может иметь один или несколько из нижеследующих признаков:

- указанное устройство покрывает все поперечное сечение цилиндрической оболочки.

- цилиндрическая оболочка содержит впускное отверстие, выпускное отверстие, средства трубопровода для впуска текучей среды, соединенные с впускным отверстием, и средства трубопровода для выпуска текучей среды, соединенные с выпускным отверстием.

- частицы выбраны из адсорбирующих частиц, каталитических частиц и инертных частиц, действующих в качестве подложки, служащей для распределения текучих сред или служащей для заполнения мертвых объемов.

- указанный блок представляет собой каталитический реактор или адсорбер.

Предпочтительно верхняя часть кольца из ткани будет плотно прилегать к внутренней стенке цилиндрической оболочки.

Другим объектом настоящего изобретения является способ изготовления устройства согласно данному изобретению, включающий следующие этапы:

a) подготовка полосы ткани, имеющей ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц, и длину, равную внутреннему периметру основания цилиндрической оболочки,

b) образование кольца из ткани из полосы ткани путем соединения вместе двух краев полосы ткани,

c) определение верхней части и нижней части кольца из ткани,

d) подготовка герметизирующей мембраны, изготовленной из ткани или из сетки, с диаметром, по существу равным внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, и ячейками, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

e) помещение нижней части ткани и герметизирующей мембраны одна поверх другой,

при этом этапы a) и c) выполнены таким образом, что после этапа e) обнаруженная зона перекрытия между мембраной и кольцом из ткани составляет менее 150 миллиметров, предпочтительно менее 100 миллиметров.

Полоса ткани, выбранная на этапе a), предпочтительно будет главным образом прямоугольной.

Под «по сути» здесь подразумевается, что приблизительно, например, что касается формы полосы ткани, то эта полоса ткани не должна быть абсолютно прямоугольной в строгом геометрическом смысле, а может немного отходить от этой идеальной геометрии на несколько процентов, будь то в отношении размеров или в отношении углов. Что касается длины, то в зависимости от способа, используемого для прикрепления ткани к кольцу-оболочке, может быть целесообразно оставить несколько сантиметров перекрытия на концах.

Конечной целью настоящего изобретения является способ изготовления блока согласно настоящему изобретению, включающий следующие этапы:

a) изготовление устройства, как определено в изобретении, изготовленного из кольца из ткани и из герметизирующей мембраны,

b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

c) поднятие нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), и поддержание указанной нижней части в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

d) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать нижний слой частиц под кольцом из ткани, полученным на этапе a),

e) высвобождение нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), из поддержания в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки таким образом, что нижняя часть опускается на нижний слой частиц,

f) расположение герметизирующей мембраны, полученной на этапе a), на нижней части кольца из ткани, и

g) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать верхний слой частиц сверху герметизирующей мембраны.

Согласно второй альтернативе, способ изготовления блока согласно настоящему изобретению включает следующие этапы:

a) изготовление устройства, как определено в изобретении, изготовленного из кольца из ткани и из герметизирующей мембраны,

b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

c) поднятие нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), и поддержание указанной нижней части в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

d) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать нижний слой частиц под кольцом из ткани, полученным на этапе a),

e) расположение герметизирующей мембраны, полученной на этапе a), на нижнем слое частиц,

f) высвобождение нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), из поддержания в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки таким образом, что нижняя часть опускается на герметизирующую мембрану, и

g) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать верхний слой частиц сверху нижней части кольца из ткани, помещенного на герметизирующую мембрану.

В зависимости от случая способ изготовления блока согласно одной или другой из этих альтернатив может иметь один или несколько из следующих признаков:

- на этапе c) указанная нижняя часть поддержания в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки посредством временных креплений, предпочтительно выбранных из магнитов и адгезивов;

- на этапе b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки достигают с использованием изогнутых удерживающих планок;

- изогнутые удерживающие планки приварены, привинчены с помощью шпилек, прикрепленных к цилиндрической оболочке, и/или присоединены к цилиндрической оболочке. При необходимости дополнительная герметичность может быть достигнута за счет прокладки.

Следует отметить, что «удерживающие планки» могут также называться «плоские планки». Они предпочтительно будут организованы по секторам.

Устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно изготовлено из нержавеющей стали, но может быть выполнено из других металлических материалов (углеродистой стали, алюминия и т.д.) и/или полимеров, фиксированное прикрепление верхней части кольца из ткани к цилиндрической оболочке будет предпочтительно достигнуто с помощью приваривания, привинчивания и/или присоединения, и временные прикрепления нижней части кольца из ткани к цилиндрической оболочке будут предпочтительно достигнуты с помощью магнитов, адгезивных устройств или полос.

Предпочтительно использовать удерживающие планки, прикрепленные заранее к любой стороне края кольца из ткани, чтобы приварить его к цилиндрической оболочке, к которой заранее на соответствующей высоте будет приварен усиливающий элемент.

Это необходимо сделать внутри цилиндрической оболочки, чтобы выполнять такие операции по прикреплению, а также для поддержания такого устройства, которое предпочтительно предназначено для оболочек достаточно большого диаметра. Минимальное значение 750 мм кажется разумным выбором.

За счет поднимания нижней части кольца из ткани и плотно прижимания его к стенке с помощью временного устройства, поперечное сечение цилиндрической оболочки по существу становится свободным и обеспечивает очень эффективное заполнение, частицы осыпаются вниз, за счет использования подходящего способа заполнения, не встречая никаких препятствий при падении.

На фиг. 1 показан первый способ изготовления блока согласно настоящему изобретению.

Схема 1.a соответствует прикреплению верхней части кольца из ткани внутри цилиндрической оболочки. Схема 1.b показывает положение нижней части кольца из ткани во время заполнения, и схема 1.c показывает положение ткани после заполнения. Это виды цилиндрической оболочки в поперечном сечении, ограниченные той точкой, в которой прикреплено кольцо из ткани. Ссылочная позиция 1 соответствует цилиндрической оболочке, ссылочная позиция 2 соответствует усиливающему элементу, приваренному к цилиндрической оболочке вдоль окружности. Верхняя часть кольца из ткани 3 прикреплена к этому усиливающему элементу посредством своих удерживающих планок 4 и 5, которые загибаются под размеры оболочки. На практике они будут разрезаны на сектора для облегчения обработки. На схеме 1.b показано такое же кольцо из ткани с нижней частью, поднятой и плотно прикрепленной к стенке системой магнитов 6. В этом положении оболочка затем может быть заполнена частицами 7 до желаемого уровня. Схема 1.c соответствует заполнению оболочки верхним слоем частиц 9. Обратите внимание, что в то же время герметизирующая мембрана была помещена на нижнюю часть кольца из ткани 3. Зона перекрытия между нижней частью кольца из ткани 3 и герметизирующей мембраной 8, диаметр которой соответствует диаметру цилиндрической оболочки, обозначена буквой «а». В случае адсорбера, используемого в блоке для получения кислорода из атмосферного воздуха, такая система, помещенная между двумя последовательными слоями адсорбента, может предположительно дать оседание порядка 10 мм, а зона перекрытия будет такой, что составляет порядка 40–50 мм. Этого достаточно, чтобы избежать какого-либо взаимного проникновения частиц у стенки.

В частности, настоящее изобретение относится к способам производства или очистки газа с использованием цилиндрических оболочек, причем эти оболочки являются по существу каталитическими реакторами или адсорберами.

Под адсорберами подразумеваются устройства, реализующие методы адсорбции. Различие проводится между адсорберами TSA и PSA.

Циклы адсорбции отличаются, в первую очередь, способом, которым регенерируется адсорбент. Если регенерация выполняется по существу посредством повышения температуры, то данный способ представляет собой адсорбцию при переменной температуре (temperature swing adsorption, TSA). Если, с другой стороны, регенерация выполняется путем снижения давления, тогда способ представляет собой процесс адсорбции при переменном давлении (PSA); обычно термин PSA означает любой способ очистки или разделения газа, в котором применяют циклическое изменение давления, которому подвергается адсорбент, от высокого давления, называемого давлением адсорбции, до низкого давления, называемого давлением регенерации. Таким образом, данное родовое обозначение PSA используется в одинаковой мере для обозначения следующих циклических способов, для которых также обычно присваиваются более специфические названия, в зависимости от применяемых уровней давления или времени, необходимого адсорберу для возвращения в свое исходное положение (продолжительности цикла): - способы VSA, в которых адсорбция осуществляется, по существу, под атмосферным давлением, предпочтительно от 0,95 до 1,25 бар абсолютного давления, а давление десорбции ниже атмосферного давления, как правило, составляет от 50 до 400 мбар абсолютного давления; - способы MPSA или VPSA, в которых адсорбция осуществляется при высоком давлении, более высоком, чем атмосферное давление, составляющее, как правило, от 1,35 до 6 бар абсолютного давления, а десорбция осуществляется при низком давлении, более низком, чем атмосферное давление, составляющее обычно от 200 до 650 мбар абсолютного давления; - собственно способы PSA, в которых высокое давление по существу больше чем атмосферное давление, составляет, как правило, от 3 до 50 бар абсолютного давления, а низкое давление, по существу, больше или равно атмосферному давлению, составляет обычно от 1 до 9 бар абсолютного давления; - способы RPSA (быстрой PSA), для которых продолжительность цикла изменения давления, как правило, составляет менее минуты; - способы URPSA (сверхбыстрой PSA), в которых продолжительность цикла изменения давления составляет величину порядка не более нескольких секунд. Следует отметить, что эти различные обозначения не стандартизированы и что, в частности, в соответствии с авторами указанные предельные значения подлежат изменению. Подавляющее большинство процессов адсорбции используют несколько подстилающих слоев частиц, будь то инертные (опорные и т.д.) частицы или адсорбенты, и, как правило, существует возможность разделения по меньшей мере двух последовательных слоев с использованием подходящей системы.

Более конкретно, данное изобретение будет относиться к способу получения кислорода из атмосферного воздуха с использованием адсорбции при переменном давлении, содержащей множество N (N> или = 1) цилиндрических адсорберов с вертикальной осью, использующих в каждом из своих адсорберов, по меньшей мере одно устройство согласно настоящему изобретению, это устройство, расположенное между внутренним опорным подстилающим слоем и первым абсорбирующим слоем, по существу предназначено для задержания атмосферной влаги (силикагель, активированный оксид алюминия, цеолит X-типа и т.д.) и/или между двумя последовательными слоями адсорбента (например активированного оксида алюминия и LiLSX и т.д.) и/или между верхним слоем адсорбента и материалом, используемым для заполнения верхнего купола (например между LiLSX и керамическими шариками).

Влага и CO₂, содержащиеся в атмосферном воздухе, являются ядовитыми для цеолитов, используемых в этом применении, особенно когда этот цеолит хорошо справляется с разделением O₂/N₂. Заряды адсорбента необходимо вводить быстро, чтобы минимизировать их контакт с атмосферой. Устройство согласно настоящему изобретению идеально отвечает этому требованию.

Как правило, в блоках этого типа адсорберы имеют относительно большой диаметр, часто более 1500 мм, и относительно небольшую высоту, часто менее 1500 мм, и заполнены различными слоями адсорбентов с помощью устройства, которое позволяет плотное заполнение, все это является критериями, которые подталкивают к использованию системы согласно настоящему изобретению.

Объем изобретения ограничивается цилиндрическими оболочками, которые составляют подавляющее большинство оболочек, используемых, в частности, в химических или нефтехимических процессах. При необходимости это изобретение может быть адаптировано для соответствия другим геометрическим формам, сохраняя тот факт, что герметичность по периферии достигается независимо от основного уплотнения, которое, само по себе, покрывает большую часть поперечного сечения оболочки, и факт заключается в том, что отсутствует система для соединения одного с другим.

Изобретение относится устройству, предназначенному для помещения между нижним слоем и верхним слоем частиц, расположенных внутри цилиндрической оболочки, для ограничения или предотвращения перемещения частиц между слоями, которое можно использовать в реакторе, адсорбере или в любой емкости для хранения, в которой необходимо, чтобы различные слои частиц были идеально разделены, в то же время оставляя возможность для свободно циркуляции текучей среды. Устройство содержит: i) герметизирующую мембрану, состоящую из ткани или сетки, и имеет: диаметр, по существу равный внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, и ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше эквивалентного диаметра частиц, и ii) кольцо из ткани, имеющее: ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше эквивалентного диаметра частиц; длину, равную внутреннему периметру основания цилиндрической оболочки; верхнюю часть, имеющую верхний конец, предназначенный для крепления по всей его длине к внутренней стенке цилиндрической оболочки, и нижнюю часть, предназначенную для помещения на нижнем слое частиц или на герметизирующей мембране, при этом герметизирующая мембрана и нижняя часть кольца ячейки расположены одна поверх другой, и зона перекрытия между мембраной и кольцом из ткани составляет менее 150 миллиметров. Изобретение обеспечивает предоставление улучшенных средств ограничения или предотвращения перемещения частиц между по меньшей мере двумя слоями различных материалов в виде частиц, в которых различные слои частиц идеально разделены с возможностью свободной циркуляции текучей среды. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство, предназначенное для помещения между нижним слоем и верхним слоем частиц, расположенных внутри цилиндрической оболочки, для ограничения или предотвращения перемещения частиц между слоями, при этом указанное устройство содержит:

i) герметизирующую мембрану, изготовленную из ткани или из сетки, имеющую:

- диаметр, по существу равный внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, и

- ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

и

ii) кольцо из ткани, имеющее:

- ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

- длину, равную внутреннему периметру основания цилиндрической оболочки,

- верхнюю часть, имеющую верхний конец, предназначенный для прикрепления по всей своей длине к внутренней стенке цилиндрической оболочки, и

- нижнюю часть, предназначенную для укладывания на нижний слой частиц или на герметизирующую мембрану,

при этом герметизирующая мембрана и нижняя часть кольца из ткани расположены одна поверх другой, и зона перекрытия между мембраной и кольцом из ткани составляет менее 150 миллиметров.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зона перекрытия между мембраной и кольцом будет составлять по меньшей мере 25 мм.

3. Устройство по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что кольцо из ткани содержит металлические или полимерные нити с диаметром, меньшим или равным 200 микрон.

4. Устройство по любому из пп. 1–3, отличающееся тем, что герметизирующая мембрана содержит металлические или полимерные нити с диаметром, большим или равным 200 микрон.

5. Блок, содержащий:

- цилиндрическую оболочку,

- нижний слой и верхний слой частиц, при этом слои помещены один поверх другого в указанной оболочке,

- устройство, по любому из пп. 1–4, помещенное между нижним слоем и верхним слоем частиц.

6. Блок по п. 5, отличающийся тем, что указанное устройство, по любому из пп. 1–4, покрывает все поперечное сечение цилиндрической оболочки.

7. Блок по любому из пп. 5, 6, отличающийся тем, что цилиндрическая оболочка содержит:

- впускное отверстие,

- выпускное отверстие,

- средства трубопровода для впуска текучей среды, соединенные с впускным отверстием, и

- средства трубопровода для выпуска текучей среды, соединенные с выпускным отверстием.

8. Блок по любому из пп. 5–7, отличающийся тем, что частицы выбраны из адсорбирующих частиц, каталитических частиц и инертных частиц, действующих в качестве подложки, служащей для распределения текучих сред или служащей для заполнения мертвых объемов.

9. Блок по любому из пп. 5–8, отличающийся тем, что он представляет собой каталитический реактор или адсорбер.

10. Способ изготовления устройства по любому из пп. 1–4, включающий следующие этапы:

a) подготовка полосы ткани, имеющей ячейки, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц, и длину, равную внутреннему периметру основания цилиндрической оболочки,

b) образование кольца из ткани из полосы ткани путем соединения вместе двух краев полосы ткани,

c) определение верхней части и нижней части кольца из ткани,

d) подготовка герметизирующей мембраны, изготовленной из ткани или из сетки, с диаметром, по существу равным внутреннему диаметру цилиндрической оболочки, и ячейками, эквивалентный диаметр которых меньше, чем эквивалентный диаметр частиц,

e) помещение нижней части ткани и герметизирующей мембраны одна поверх другой,

при этом этапы a) и c) выполнены таким образом, что после этапа e) обнаруженная зона перекрытия между мембраной и кольцом из ткани составляет менее 150 миллиметров, предпочтительно менее 100 миллиметров.

11. Способ изготовления блока по любому из пп. 5–9, включающий следующие этапы:

a) изготовление устройства, по любому из пп. 1–5, изготовленного из кольца из ткани и из герметизирующей мембраны,

b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

c) поднятие нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), и поддержание указанной нижней части в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

d) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать нижний слой частиц под кольцом из ткани, полученным на этапе a),

e) высвобождение нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), из поддержания в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки таким образом, что нижняя часть опускается на нижний слой частиц,

f) расположение герметизирующей мембраны, полученной на этапе a), на нижней части кольца из ткани, и

g) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать верхний слой частиц сверху герметизирующей мембраны.

12. Способ изготовления блока по любому из пп. 5–9, включающий следующие этапы:

a) изготовление устройства, по любому из пп. 1–5, изготовленного из кольца из ткани и из герметизирующей мембраны,

b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

c) поднятие нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), и поддержание указанной нижней части в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки,

d) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать нижний слой частиц под кольцом из ткани, полученным на этапе a),

e) расположение герметизирующей мембраны, полученной на этапе a), на нижнем слое частиц,

f) высвобождение нижней части кольца из ткани, полученного на этапе a), из поддержания в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки таким образом, что нижняя часть опускается на герметизирующую мембрану, и

g) введение частиц в цилиндрическую оболочку таким образом, чтобы образовывать верхний слой частиц сверху нижней части кольца из ткани, помещенного на герметизирующую мембрану.

13. Способ по любому из пп. 11, 12, отличающийся тем, что на этапе c) указанную нижнюю часть поддерживают в плотном прилегании к внутренней стенке цилиндрической оболочки посредством временных креплений, предпочтительно выбранных из магнитов и адгезивов.

14. Способ по любому из пп. 11, 12, отличающийся тем, что на этапе b) прикрепление верхнего конца верхней части кольца из ткани, полученного на этапе a), вдоль всей его длины к внутренней стенке цилиндрической оболочки достигают с использованием изогнутых удерживающих планок.

15. Способ по п. 14, отличающееся тем, что изогнутые удерживающие планки приварены, привинчены и/или присоединены к цилиндрической оболочке.