СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК B01D53/04 B01J3/04 B01J8/00 

Настоящее изобретение относится к сосуду высокого давления для использования, например, в установке адсорбции при переменной температуре или в других криогенных системах или системах с повышенной температурой.

Адсорбция при переменной температуре (TSA) представляет собой адсорбционный способ разделения газовых смесей, в котором регенерацию используемого адсорбента осуществляют с помощью тепловой энергии. TSA, например, используют в рамках очистки отходящих газов или для обработки газовых смесей, таких как природный газ.

В криогенных системах или системах с повышенной температурой процессы адсорбции, проводимые внутри сосудов высокого давления, например, заполненных слоем адсорбента, содержащим субстрат адсорбента, проводят до тех пор, пока не будет использована заданная величина адсорбирующей способности адсорбента, т. е. пока адсорбентом не будет адсорбировано заданное количество загрязняющего вещества. Затем адсорбированный газ удаляют из адсорбента, например, путем быстрого снижения давления и/или повышения температуры внутри сосуда. Поскольку адсорбция по существу является более сильной функцией температуры, чем давление, во многих ситуациях в качестве регенеративных средств удаления адсорбированного газа из адсорбирующего субстрата используют термоциклирование.

Во многих системах адсорбции с переменной температурой этот регенеративный нагрев осуществляют путем пропускания потока нагретого газа через слой адсорбента. Затем слой охлаждают путем пропускания через этот слой потока холодного газа. При отсутствии других эффектов теплопередача, задействованная в нагревании и охлаждении слоя, создает некоторые проблемы из-за относительно высокой скорости и турбулентных потоков газа, характерных для способов, в которых применяют такие слои. Однако при наличии сплошных металлических стенок, содержащих слой, связанные с ними высокие теплоемкости могут препятствовать надлежащему нагреву и охлаждению стенок в течение разумного времени и/или с разумными затратами. При использовании слоя в таких условиях та часть слоя, которая расположена вблизи стенок сосуда, будет, как правило, оставаться при другой температуре по сравнению с остальной частью слоя — выше во время охлаждения и адсорбции и ниже во время регенерационного нагрева — в течение значительных периодов соответствующих стадий цикла. Таким образом, стенка сосуда во время адсорбции будет выступать в качестве источника тепла и в качестве теплоотвода во время регенерации. Эффект теплоотвода требует более длительного времени регенерации для регенерации адсорбента вблизи стенки. Эффект источника тепла приводит к слабой адсорбции вблизи стенки, так что фронт адсорбции в этих зонах перемещается через слой быстрее.

Таким образом, для таких вариантов применения преимущественным является изолирование сосудов высокого давления или адсорбера изнутри, например, путем обеспечения изолирующего слоя на внутренней стороне наружной стенки сосуда. Внутренняя изоляция снижает потребность в регенерационном газе, поскольку стенки сосуда не будут нагреваться, и улучшает регенерацию адсорбирующих материалов вблизи стенки, так как температурный градиент по направлению к стенке существенно уменьшается. Оба эффекта обеспечивают более быстрые и энергоэффективные циклы регенерации, особенно по сравнению с изолированными снаружи сосудами. Таким образом, внутренняя изоляция является особенно преимущественной для сосудов TSA, требующих короткого времени регенерации и имеющих стенки сосуда с высокой теплоемкостью. Сосуд высокого давления для использования в качестве сосуда с адсорбентом газа, имеющего внутреннюю изоляцию, известен из патента США № 3,925,041. В соответствии с настоящим документом внутренняя изоляция предусмотрена на внутренней стороне корпуса сосуда. Внутренняя изоляция содержит ряд изолирующих слоев, каждый из которых изготовлен из множества жестких предварительно сформованных листов, примыкающих друг к другу и расположенных рядами и/или колоннами. Для предотвращения протекания газа в изолирующие слои и через них, особенно в зазорах или переходах между прилегающими листами, в настоящем документе предложено изгибать края листов нижнего слоя таким образом, чтобы они проходили в зазоры между листами верхнего слоя, тем самым обеспечивая барьеры для потока газа. Однако установка и фиксация таких слоев требует сложной и точной обработки и больших затрат.

Целью настоящего изобретения является обеспечение более простых и сокращающих затраты средств для предотвращения нежелательного протекания газа в изолирующие слои изолированного изнутри сосуда высокого давления и через них.

Данная цель достигается с помощью сосуда высокого давления, содержащего элементы по п. 1 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением предложен сосуд высокого давления, содержащий цилиндрическую среднюю секцию, на первом конце которой предусмотрена верхняя торцевая крышка и на втором конце которой предусмотрена нижняя торцевая крышка, причем сосуд высокого давления содержит наружный корпус, при этом в по меньшей мере цилиндрической средней секции предусмотрена изолирующая конструкция на внутренней стороне наружного корпуса, причем изолирующая конструкция содержит по меньшей мере один слой изолирующего материала и защитный слой, в частности стальной слой, предусмотренный на внутренней стороне изолирующей конструкции, при этом по меньшей мере один слой изолирующего материала содержит множество пластин из керамических волокон, и/или защитный слой содержит множество защитных пластин, в частности стальных пластин, и при этом цилиндрическая средняя секция снабжена множеством параллельных колец, проходящих по окружности вдоль внутренней стороны наружного корпуса и выполненных с возможностью прикрепления по меньшей мере одного изолирующего слоя и/или защитного слоя к наружному корпусу.

Сосуд высокого давления в соответствии с изобретением имеет превосходные изолирующие свойства, особенно по сравнению с сосудами высокого давления с наружной изоляцией. Изолирующая конструкция может иметь относительно небольшую толщину, что сводит к минимуму размеры сосуда высокого давления в целом. Преимуществом является то, что изолирующая конструкция может содержать только один изолирующий слой. Дополнительная обработка изолирующей конструкции не обязательна. Например, в решениях предшествующего уровня техники внутреннюю изоляцию, обеспечиваемую бетонной футеровкой, например огнеупорной футеровкой, необходимо усиливать за счет термообработки после установки для достижения требуемых характеристик бетона. Такая дополнительная обработка не обязательна в соответствии с изобретением.

Предотвращается риск или частота появления газа, обходящего адсорбент за счет прохождения через изолирующие слои от сырья к стороне продукта. Кроме того, критически важные продольные сварные швы, предусмотренные на цилиндрической средней секции или секции корпуса сосуда высокого давления, более доступны для технического обслуживания. Например, изоляцию можно легко удалять и восстанавливать только на определенных участках.

Преимущественные варианты осуществления представляют собой объект изобретения по зависимым пунктам формулы изобретения.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления между защитным слоем и изолирующей конструкцией предусмотрен слой керамической бумаги. В частности, в случае использования стального слоя в качестве защитного слоя такой слой керамической бумаги гарантирует, что слои изолирующей конструкции не будут повреждены стальным слоем, особенно в процессе изготовления сосуда высокого давления.

Преимуществом является то, что цилиндрическая средняя секция сосуда высокого давления снабжена множеством фиксирующих элементов, выполненных с возможностью прикрепления защитного слоя, в частности стальных пластин, и/или изолирующей конструкции, в частности пластин из керамического волокна, друг к другу и/или к наружному корпусу. Такие фиксирующие элементы, которые могут быть предусмотрены, например, в виде зажимов или штифтов, могут эффективно взаимодействовать с кольцами, предусмотренными на внутренней стороне наружного корпуса.

Преимуществом является то, что верхняя торцевая крышка и нижняя торцевая крышка содержат внутреннюю изолирующую конструкцию, содержащую кирпичи, или огнеупорную футеровку, или внутреннюю юбку, или гибкий изолирующий материал. Такие изолирующие конструкции легко адаптировать к сложным формам, обычно используемым в торцевых крышках, таким как сферические или эллиптические выпуклые днища.

Из соображений целесообразности в верхней торцевой крышке и нижней торцевой крышке сосуда высокого давления предусмотрены устройства для прохождения потока газа. Они могут содержать защитные экраны между каналами для потока газа и внутренней изоляцией, предусмотренными в торцевых крышках, и/или газораспределитель корзиночного типа для обеспечения равномерного распределения газа по всему слою адсорбента в цилиндрической средней секции.

Преимуществом является то, что слой адсорбента предусмотрен в цилиндрической средней секции сосуда высокого давления.

Преимуществом является то, что слой адсорбента может быть предусмотрен на опорной решетке слоя, например на клиновидной проволоке, для обеспечения оптимального распределения потока газа из нижней концевой секции.

Далее приведено описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на сопровождающие графические материалы. В настоящем документе

на Фиг. 1 схематически представлен упрощенный вид сбоку в разрезе предпочтительного варианта осуществления сосуда высокого давления в соответствии с изобретением,

на Фиг. 2 представлен более подробный вид в разрезе участка цилиндрической средней секции сосуда высокого давления, изображенного на Фиг. 1, и

на Фиг. 3 представлен схематический вид в горизонтальной проекции части средней секции, если смотреть изнутри сосуда, изображенного на Фиг. 1 и 2.

Предпочтительный вариант осуществления сосуда высокого давления в соответствии с изобретением обозначен по существу номером 100. Сосуд 100 высокого давления имеет по существу цилиндрическую форму и содержит цилиндрическую среднюю секцию 120. На верхнем конце она снабжена верхней торцевой крышкой 130, а на нижнем конце — нижней торцевой крышкой 140. Верхняя торцевая крышка 130 и нижняя торцевая крышка 140 по существу выполнены в виде сферических или эллиптических выпуклых днищ. Средства 220 для прохождения потока газа предусмотрены в верхней торцевой крышке 130, а средства 230 для прохождения потока газа — в нижней торцевой крышке 140. Средства для прохождения потока газа содержат газораспределители 224, 234 корзиночного типа. В нижней секции преимущественно может быть предусмотрено инертное шариковое наполнение для оптимизации распределения газа.

Наружный слой сосуда 100 высокого давления выполнен в виде наружного корпуса 180, проходящего вокруг верхней торцевой крышки 130, цилиндрической средней секции 120 и нижней торцевой крышки 140. Наружный корпус 180 изготовлен из металла, такого как углеродистая сталь.

Верхняя торцевая крышка 130 и нижняя торцевая крышка 140 снабжены внутренними изолирующими средствами на внутренней стороне наружного корпуса 180. Внутренние изолирующие средства в показанном варианте осуществления выполнены в виде кирпичей 182. Кирпичи обеспечивают эффективное средство изоляции и могут быть легко адаптированы к сложным формам наружного корпуса, таким как куполообразные верхняя и нижняя торцевые крышки. Следует отметить, что внутренние изолирующие средства в верхней торцевой крышке 130 и нижней торцевой крышке 140 также могут быть выполнены, например, в виде внутренних юбок, огнеупорной футеровки или в виде изолирующих пластин, покрытых защитными пластинами, такими как стальные пластины.

В цилиндрической секции 120 на внутренней стороне наружного корпуса предусмотрено множество колец 125. Эти кольца 125 образуют множество проходящих параллельно ребер, которые служат для закрепления изолирующей конструкции 190 и защитного слоя в цилиндрической секции 120, как будет описано ниже. Эти кольца также служат для предотвращения прохождения газа через изолирующую конструкцию, что также будет дополнительно подробно изложено ниже.

Как показано, в частности, на Фиг. 2, изолирующая конструкция 190 содержит первый слой 192 изолирующего материала, смежный с внутренней стороной наружного корпуса 180. На внутренней стороне первого слоя 192 изолирующего материала предусмотрен второй слой 194 изолирующего материала.

На внутренней стороне второго слоя 194 изолирующего материала предусмотрен дополнительный промежуточный слой 198, который предпочтительно выполнен в виде слоя керамической бумаги. Смежно с внутренней стороной промежуточного слоя 198 предусмотрен защитный слой 196, который преимущественно обеспечен в виде стального слоя. Промежуточный слой 198 между стальным слоем 196 и вторым или самым дальним внутренним слоем 194 изолирующего материала служит для защиты самого дальнего внутреннего слоя 194 изолирующего материала от повреждения во время изготовления изолирующей конструкции 190 и/или во время работы сосуда высокого давления.

Слои 192, 194 изолирующего материала, защитный слой 196, а также промежуточный слой 198 преимущественно выполнены в виде отдельных пластин или листов 192a, 194a, 196a, 198a, которые крепят к наружному корпусу 180 с помощью колец 125, как будет объяснено ниже. В частности, пластины 192a, 194a, используемые для слоев изолирующего материала, изготавливают из гибкого керамического материала. Такой гибкий керамический материал может, например, содержать керамическую пеноматрицу, в которой предусмотрены керамические волокнистые материалы.

Преимуществом является то, что осевое расстояние H между соседними кольцами 125 может быть постоянным по всей цилиндрической секции 120. Например, осевое расстояние H (как показано на Фиг. 1 и 3) можно выбирать таким образом, чтобы оно составляло 1000 мм. Пластины/панели 192a, 194a слоев 192, 194 изолирующего материала и стального слоя 196, а также слоя 198 керамической бумаги имеют такой размер, чтобы они полностью покрывали зону на внутренней стороне наружного корпуса 180 между соответствующими соседними кольцами 125. Например, для каждой из этих панелей можно обеспечить высоту, соответствующую осевому расстоянию H между двумя соседними кольцами 125. Возможно любое подходящее расположение, при котором достигается полное покрытие этой зоны между двумя соседними кольцами 125. Также возможно, например, чтобы слои 192, 194 изолирующего материала и/или слой 198 керамической бумаги имели меньший размер, так чтобы, например, две такие пластины имели высоту, соответствующую осевому расстоянию H между двумя соседними кольцами 125. Преимуществом является то, что стальные пластины имеют высоту, соответствующую осевому расстоянию H.

Как особенно видно на Фиг. 2, соответствующие пластины 192a, 194a, 196a, 198a над кольцом 125 могут опираться на это кольцо 125 своими нижними краями. Поскольку их высота соответствует осевому расстоянию H, они также будут входить в зацепление с нижней стороной соседнего кольца 125 своими верхними краями, как также показано на Фиг. 2 для пластин 192a, 194a, 196a, 198a ниже кольца 125.

Преимуществом является то, что штифты или зажимы 135 могут быть предусмотрены на внутренних краях колец 125 для фиксации стальных пластин на изолирующих пластинах и, таким образом, изолирующей конструкции 190 на наружном корпусе 180.

Благодаря предусмотренным кольцам 125 в дополнение к опоре для пластин на внутренней стороне наружного корпуса 180, как обсуждалось, можно в сущности избежать использования эффективного отклонения и/или барьерных средств, препятствующих обходу газа между защитным стальным слоем 196 и наружным корпусом 180, т. е. через изолирующую конструкцию 190. Если, например, газ, проходя через сосуд высокого давления, протекает в пространство между защитным стальным слоем 196 и стальным кольцом 125 и, таким образом, через изолирующую конструкцию 190, этот поток будет прерываться на соседнем кольце 125, так что такой поток газа, обходящий основной поток газа через слой адсорбента, предусмотренный в цилиндрической секции 120, можно свести к минимуму или исключить.

Следует отметить, что количество изолирующих слоев 192, 194 можно адаптировать с учетом требуемого изолирующего эффекта. Например, между наружным корпусом 180 и защитным стальным слоем 196 может быть предусмотрен только один изолирующий слой. Кроме того, могут быть предусмотрены более двух таких слоев.

Как схематически показано на Фиг. 3, преимущество заключается в возможности обеспечения пластин изолирующего материала 192a, 194a в ориентации, отличной от ориентации защитных стальных пластин 196a. Например, прямоугольные изолирующие пластины 192a, 194a могут иметь ширину W и высоту H/2 меньше W, так что их горизонтальная протяженность будет больше их вертикальной протяженности. Как также показано на Фиг. 3, например, две изолирующие пластины 192a, 194a могут быть расположены друг над другом таким образом, чтобы высота двух соседних пластин 192a высотой H/2 соответствовала осевому расстоянию H между двумя соседними кольцами 125. Такие две изолирующие пластины 192a также могут быть слегка смещены друг от друга в периферийном направлении, как показано смещением ΔW.

Следует отметить, что для наглядного представления пластин 192a, 194a, 196a на Фиг. 3 показаны только части соответствующих слоев.

С другой стороны, преимуществом является обеспечение защитных пластин 196a высотой H и шириной K таким образом, чтобы их высота соответствовала осевому расстоянию между двумя соседними кольцами 125. K может быть равна H/2, а W может быть равна H, так чтобы все пластины 192a 194a, 196a имели одинаковый размер. Однако для H/2, W и K также можно выбирать разные значения.

Внутреннее пространство сосуда 100 высокого давления заполняют адсорбирующим слоем, который не показан на фигурах. Преимуществом является то, что предусмотрена опорная решетка слоя, например клиновидная проволока 250 (показана на Фиг. 1), на которой можно располагать слой адсорбента. В этом случае инертное шариковое наполнение в нижней секции 140 сосуда не обязательно.

Преимуществом является то, что средства 220, 230 для прохождения потока газа содержат газораспределители 224, 234 корзиночного типа и защитные экраны 222, 232, вставленные в форсунки для потока газа, как хорошо известно в данной области.

Преимуществом является то, что форсунки оснащены защитными экранами в качестве средства защиты от термоударов.

Перечень компонентов:

100 - сосуд высокого давления

120 - цилиндрическая средняя секция

125 - кольца

130 - верхняя торцевая крышка

140 - нижняя торцевая крышка

180 - наружный корпус

182 - кирпичи

190 - изолирующая конструкция

192 - первый слой изолирующего материала

194 - второй слой изолирующего материала

196 - защитный слой

198 - промежуточный слой (слой керамической бумаги)

192a, 194a, 196a, 198a - пластины или листы

220, 230 - средства для прохождения потока газа

222, 232 - защитные экраны

224, 234 - газораспределители корзиночного типа

250 - клиновидная проволока

H - высота

W, K - ширина

Изобретение относится к сосуду высокого давления для использования в установке адсорбции при переменной температуре или в других криогенных системах или системах с повышенной температурой. Сосуд высокого давления содержит цилиндрическую среднюю секцию, на первом конце которой предусмотрена верхняя торцевая крышка и на втором конце которой предусмотрена нижняя торцевая крышка, причем сосуд высокого давления содержит наружный корпус, при этом в по меньшей мере цилиндрической средней секции предусмотрена изолирующая конструкция на внутренней стороне наружного корпуса, причем изолирующая конструкция содержит по меньшей мере один слой изолирующего материала и защитный слой, предусмотренный на внутренней стороне изолирующей конструкции, при этом по меньшей мере один слой изолирующего материала содержит множество пластин изолирующего материала, в частности пластин из керамических волокон, и/или защитный слой содержит множество защитных пластин, и при этом цилиндрическая средняя секция снабжена множеством колец, выполненных с возможностью прикрепления по меньшей мере одного изолирующего слоя и/или защитного слоя к наружному корпусу. Изобретение обеспечивает создание более простых средств для предотвращения нежелательного протекания газа в изолирующие слои изолированного изнутри сосуда высокого давления и через них. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сосуд (100) высокого давления, содержащий цилиндрическую среднюю секцию (120), на первом конце которой предусмотрена верхняя торцевая крышка (130) и на втором конце которой предусмотрена нижняя торцевая крышка (140), причем сосуд (100) высокого давления содержит наружный корпус (180), при этом в по меньшей мере цилиндрической средней секции (120) предусмотрена изолирующая конструкция (190) на внутренней стороне наружного корпуса (180), причем изолирующая конструкция содержит по меньшей мере один слой (192, 194) изолирующего материала и защитный слой (196), предусмотренный на внутренней стороне изолирующей конструкции (190), при этом по меньшей мере один слой (192, 194) изолирующего материала содержит множество пластин изолирующего материала, в частности пластин (192a, 194a) из керамических волокон, и/или защитный слой (196) содержит множество защитных пластин (196a), и при этом цилиндрическая средняя секция (120) снабжена множеством колец (125), выполненных с возможностью прикрепления по меньшей мере одного изолирующего слоя (192, 194) и/или защитного слоя (196) к наружному корпусу (180).

2. Сосуд высокого давления по п. 1, в котором между защитным слоем (196) и самым дальним внутренним слоем (194) изолирующего материала предусмотрен промежуточный слой (198), который, в частности, выполнен в виде слоя керамической бумаги.

3. Сосуд высокого давления по любому из предшествующих пунктов, в котором цилиндрическая средняя секция (120) снабжена множеством фиксирующих элементов (135), выполненных с возможностью прикрепления защитного слоя (196), в частности защитных пластин (196a), и/или изолирующей конструкции, в частности пластин (192a, 194a) из керамического волокна, друг к другу и/или к наружному корпусу (180).

4. Сосуд высокого давления по любому из предшествующих пунктов, в котором верхняя торцевая крышка (130) и/или нижняя торцевая крышка (140) содержат внутреннюю изолирующую конструкцию, содержащую кирпичи (182), или огнеупорную футеровку, или внутреннюю юбку, или гибкий изолирующий материал.

5. Сосуд высокого давления по любому из предшествующих пунктов, снабженный средствами (220, 230) для прохождения потока газа в верхней торцевой крышке и нижней торцевой крышке.

6. Сосуд высокого давления по любому из предшествующих пунктов, в котором защитный слой (196) выполнен в виде стального слоя.