Патент на изобретение №2398616

(54) АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией при переменной температуре. Установка содержит побудитель расхода воздуха 1, на выходе которого установлено средство для грубой очистки в виде блока циклонов 2. Средство для грубой очистки 2 соединено через переключатель воздушного потока 3 с адсорберами 4 и 5. Адсорберы 4 и 5 выполнены в виде кожухотрубчатых аппаратов с межтрубным пространством, заполненным адсорбентом. Трубное пространство адсорберов 4 и 5 поочередно соединяется с нагревателем теплоносителя 13 или холодильником 11. На входе и выходе холодильника 11 установлены обратные клапаны 15, 16, 17, 18, которые обеспечивают постоянство направления потока теплоносителя в холодильнике 11 независимо от положения переключателя потока теплоносителя 12. Контур с теплоносителем дополнительно содержит насос 10. Выходы адсорберов 4 и 5 соединены между собой трубопроводом, на котором установлен вентиль сброса очищенного воздуха 14. Технический результат – возможность использования установки в закрытых помещениях, повышение экономичности и эффективности работы за счет сокращения продолжительности цикла «сорбция»-десорбция» и уменьшения величины сброса. 8 ил.

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией, в частности к адсорберам для осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса разделения воздуха при переменной температуре.

Известна адсорбционная установка для разделения газов при изменяющейся температуре, содержащая корпус, заполненный цеолитовым сорбентом и разделенный перегородками на отдельные сорбционные ячейки, снабженные штуцерами для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента (патент США N 6,746,515, МПК B01D 53/04, 2004). В адсорбере установки в центральной части помещен источник тепла и соседние сорбционные ячейки соединены между собой перепускными каналами.

Такое конструктивное выполнение установки обеспечивает поочередное участие в процессе сорбции сорбционных ячеек и рекуперацию теплового потока, подаваемого в сорбционные ячейки при десорбции, однако сложно как в изготовлении, так и в эксплуатации.

Известная адсорбционная установка характеризуется недостаточной надежностью устройства и сложностью конструкции, обусловленной наличием подвижных элементов и высокой металлоемкостью, которая препятствует быстрому переходу от сорбции (охлаждение) к десорбции (нагрев), а также наличием системы рекуперации тепла в виде перепускных каналов с запорными органами.

В результате снижается надежность работы адсорбера.

Известна также адсорбционная установка для разделения газов при изменяющейся температуре, используемая для получения воды из атмосферы. Она содержит адсорберы с адсорбентом, воздушное входное отверстие для того, чтобы управлять атмосферным потоком воздуха через упомянутые адсорберы; нагреватель в виде источника выхлопного газа силового агрегата для обеспечения высокой температуры для десорбции адсорбента; конденсатор, соединенный с выходом адсорберов и контейнер для хранения воды, полученной в упомянутом конденсаторе (Заявка WO 2004/052508, МПК7: B01D 53/04, 2004). Особенностью известного устройства является:

– наличие теплообменника вне адсорбционного материала в адсорберах, соединенного с источником выхлопного газа;

– использование воздуха, направляемого на очистку от паров воды, в качестве хладагента для адсорберов на стадии сорбции.

Такое устройство характеризуется следующими недостатками:

– недостаточная эффективность работы установки из-за использования раздельных каналов для подвода и отвода тепла из адсорбера, что увеличивает продолжительность циклов «сорбция» – «десорбция» и снижает надежность работы устройства, а также из-за увеличения количества воздуха, которое следует компримировать;

– невозможность использования установки в закрытых помещениях из-за использования разомкнутого контура подвода воздуха в режиме охлаждения адсорбента.

Задачей изобретения является повышение экономичности работы устройства, возможность использования установки в закрытых помещениях.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности установки за счет сокращения продолжительности цикла «сорбция» – «десорбция» и уменьшения величины сброса.

Технический результат достигается тем, что в установке для разделения газов адсорбцией, содержащей адсорберы с адсорбентом, соединенные с побудителем расхода воздуха, и теплообменники, соединенные с контуром теплоносителя, причем контур с теплоносителем дополнительно содержит насос, нагреватель и холодильник, соединенные с переключателем потока теплоносителя, а теплообменники размещены в полости адсорберов и выполнены в виде трубопроводов с коллекторами, соединенными с контуром теплоносителя.

Трубопроводы снабжены пластинами оребрения.

Адсорберы выполнены в виде пакета герметично соединенных между собой по периметру секций, каждая из которых содержит теплообменник.

Трубопроводы секций соединены с циркуляционными контурами холодильника и нагревателя.

Выполнение контура с теплоносителем, дополнительно содержащим насос, нагреватель и холодильник, соединенные с переключателем потока теплоносителя, и размещение теплообменников в полости адсорберов и выполнение теплообменников в виде трубопроводов с коллекторами, соединенных с контуром теплоносителя, обеспечивают упрощение конструкции за счет использования элементов крупносерийного производства. Дополнительным существенным преимуществом такого конструктивного выполнения адсорберов является минимальное гидравлическое сопротивление загрузки сорбента, что позволяет вместо высоконапорной газодувки применить центробежный низконапорный вентилятор и на порядок снизить энергопотребление побудителя расхода воздуха.

Снабжение трубопроводов пластинами оребрения позволяет осуществлять эффективный подвод и отвод тепла от сорбента, что позволяет минимизировать продолжительность цикла «сорбция» – «десорбция».

Выполнение адсорберов в виде пакета герметично соединенных между собой по периметру секций, каждая из которых содержит теплообменник, позволяет использовать различные виды сорбционных материалов с различным тепловым потреблением. В зависимости от свойств сорбентов и их количества секция может иметь несколько рядов оребренных трубопроводов, что позволяет оптимизировать конструкцию адсорбера.

Соединение трубопроводов секций с циркуляционными контурами холодильника и нагревателя обеспечивает эффективный подвод тепла к адсорбенту и отвод тепла от него и позволяет в несколько раз сократить продолжительность циклов «сорбция» – «десорбция», т.е., как показывает практика, повысить надежность работы установки.

На представленных чертежах изображены:

– фиг.1 – показана схема адсорбционной установки,

– фиг.2 – показано то же, в первый цикл работы установки (направление потоков указано стрелками),

– фиг.3 – то же во втором цикле работы установки с указанием стрелками направления потоков,

– фиг.4 – показан вид холодильника с подсоединенными к нему вентилятором и кондиционером;

– фиг.5 – показан вид сверху секции адсорбера;

– фиг.6 – показано расположение трубок адсорбера (сечение по А-А фиг.5);

– фиг.7 – показан поперечный разрез адсорбера;

– фиг.8 – показано закрепление винтов – саморезов в оребрении пластин (сечение по Б-Б, фиг.5).

Перечень позиций

1 – побудитель расхода воздуха;

2 – фильтр грубой очистки (блок циклонов);

3 – переключатель воздушного потока;

4 – адсорбер;

5 – адсорбер;

6 – фильтр тонкой очистки (НЕРА-фильтр);

7 – вентиль сброса воздуха;

8 – вентиль сброса загрязненного воздуха;

9 – вентиль входа очищаемого воздуха;

10 – насос циркуляции теплоносителя;

11 – холодильник;

12 – переключатель потока теплоносителя;

13 – нагреватель теплоносителя;

14 – вентиль сброса очищенного воздуха;

15, 16, 17, 18 – обратные клапаны;

19 – вентилятор;

20 – кондиционер;

21 – секция адсорбера;

22 – коллектор;

23 – патрубок коллектора;

24 – труба;

25 – крышка сетчатая;

26 – винт-саморез;

27 – борт секции;

28 – пластина оребрения;

29 – пресс-шайба;

30 – прокладка;

31 – крышка адсорбера;

32 – поглотитель.

Адсорбционная установка для разделения газов при изменяющейся температуре включает побудитель расхода воздуха 1, на выходе которого установлен фильтр грубой очистки 2 в виде блока циклонов. Последний соединен через переключатель воздушного потока 3 с адсорберами 4 и 5. На выходе адсорберов 4 и 5 установлен фильтр тонкой очистки 6 (т.н. НЕРА-фильтр). Переключатель воздушного потока 3 соединен с вентилем сброса воздуха 7, а фильтр грубой очистки 2 соединен с вентилем сброса загрязненного воздуха 8. На входе побудителя расхода воздуха 1 установлен вентиль 9. Насос циркуляции теплоносителя 10 соединен через холодильник 11 с переключателем потока теплоносителя 12, который соединен в свою очередь с нагревателем теплоносителя 13. В качестве теплоносителя могут использоваться растворы минеральных солей и органические теплоносители, предпочтение отдается тосолу. На выходе фильтра тонкой очистки 6 установлен вентиль сброса очищенного воздуха 14. На входе и выходе холодильника 11 установлены обратные клапаны 15, 16, 17, 18, которые обеспечивают постоянство направления потока теплоносителя в холодильнике 11 независимо от положения переключателя потока теплоносителя. При этом по ходу теплоносителя на холодильнике 11 установлены вентилятор 19 и кондиционер 20.

Адсорберы 4 и 5 собраны из секций 21, каждая из которых выполнена в виде двух коллекторов 22, каждый из которых снабжен патрубком 23 и соединенных трубами 24. Торцы секций 21 закрыты сетчатыми крышками 25 с помощью винтов-саморезов 26. Края секций снабжены бортами 27. Винты-саморезы 26 закрепляются в секциях 21 вворачиванием в зазор между пластинами оребрения 28. Для снижения удельных нагрузок на сетчатые крышки 25 винты-саморезы 26 устанавливаются в комплекте с пресс-шайбами 29 и прокладками 30 из резины. На крайние поверхности секций 21 поверх крышек сетчатых 25 устанавливаются крышки адсорбера 31. Между пластинами оребрения 28 и в пространстве, ограниченном сетчатыми крышками 25, помещается поглотитель 32, в качестве которого могут использоваться гранулированные цеолиты, силикагели, активная окись алюминия, различные угольные поглотители, гопкалит.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Подготовка адсорбционной установки заключается в закреплении на каждой секции 21 адсорберов 4 и 5 сетчатых крышек 25 с одной стороны и последующей засыпке в зазор между пластинами оребрения 28 поглотителя 32. Затем на секциях 21 устанавливаются вторые сетчатые крышки 25 с помощью винтов-саморезов 26, пресс-шайб 29 и прокладок 30. Соединение радиаторов с газопроницаемой крышкой посредством винтов-саморезов обеспечивает простую и надежную сборку с равномерным прижимом загрузки адсорбента по всей поверхности газопроницаемой крышки. Снабжение винтов-саморезов пресс-шайбами и прокладками из атмосфероустойчивой резины обеспечивает дополнительную защиту от просыпания адсорбента в местах установки винтов-саморезов и равномерность прижатия газопроницаемой крышки к адсорбенту. Последующая сборка адсорберов 4 и 5 заключается в стягивании секций 21 в пакет по линии бортов 27 и установке крышек адсорберов 31 и подключении к адсорберам 4 и 5 воздушных коммуникаций и линий подвода теплоносителя.

После подсоединения адсорбера к линиям подвода разделяемого воздуха и отбора продукционного газа соответственно к штуцерам для подвода разделяемого воздуха и отбора продукционного газа адсорберы 4 и 5 включаются в работу.

На фиг.2 и 3 показана работа адсорберов в режиме сорбции и десорбции.

Первый цикл (фиг.2) заключается в следующем.

Включаются насос циркуляции теплоносителя 10, вентилятор 19 и кондиционер 20 холодильника 11 и нагреватель 13. При этом теплоноситель из насоса 10 поступает в нагреватель 13, из которого через переключатель 12 направляется в адсорбер 4, где нагревает поглотитель 32, обеспечивая тем самым десорбцию. Из адсорбера 4 через клапан 18 теплоноситель поступает в холодильник 11, где под действием вентилятора 19 и кондиционера 20 охлаждается и через клапан 16 поступает в адсорбер 5, охлаждая поглотитель в цикле сорбции. Из адсорбера 5 теплоноситель поступает на переключатель 12, из которого вновь на вход насоса 10, тем самым обеспечивая циркуляцию по замкнутому контуру и проведение цикла сорбции в адсорбере 5 и десорбции в адсорбере 4.

При открытом вентиле 9 очищаемого воздуха включается побудитель расхода воздуха 1, который поступает в блок циклонов – фильтр грубой очистки 2. При этом загрязненный воздух сбрасывается через вентиль сброса 8, а очищенный от пылевидных частиц и капельной жидкости воздух поступает на переключатель воздушного потока 3, из которого поступает в адсорбер 5, и проходит через охлажденный поглотитель 32, в котором происходит поглощение задерживаемых веществ. Часть очищенного воздуха (не более одной трети) поступает в адсорбер 4 на регенерацию поглотителя 32, а остальной очищенный воздух через фильтр тонкой очистки 6 и вентиль 14 поступает на потребление.

Второй цикл (фиг.3) аналогичен предыдущему и заключается в следующем.

При включенных насосе циркуляции теплоносителя 10, вентиляторе 19, кондиционере 20 холодильника 11 и нагревателя 13 теплоноситель из насоса 10 поступает в нагреватель 13, из которого через переключатель 12 направляется в адсорбер 5, где нагревает поглотитель 32, обеспечивая тем самым десорбцию. Из адсорбера 5 через клапан 17 теплоноситель поступает в холодильник 11, где под действием вентилятора 19 и кондиционера 20 охлаждается и через клапан 15 поступает в адсорбер 4, охлаждая поглотитель в цикле сорбции. Из адсорбера 4 теплоноситель поступает на переключатель 12, из которого вновь на вход насоса 10, тем самым обеспечивая циркуляцию по замкнутому контуру и проведение цикла сорбции в адсорбере 4 и десорбции в адсорбере 5.

При открытом вентиле 9 очищаемого воздуха включается побудитель расхода воздуха 1, который подает воздух в блок циклонов – фильтр грубой очистки 2. Загрязненный воздух сбрасывается через вентиль сброса 8, а очищенный от пылевидных частиц и капельной жидкости воздух поступает на переключатель воздушного потока 3, из которого поступает в адсорбер 4, и проходит через охлажденный поглотитель 32, в котором происходит поглощение задерживаемых веществ. Часть очищенного воздуха поступает в адсорбер 5 на регенерацию поглотителя 32, а остальной очищенный воздух через фильтр тонкой очистки 6 и вентиль 14 поступает на потребление.

За счет установки в замкнутом контуре, включающем два или несколько адсорберов, нагревателя и холодильника достигается рекуперация тепла и холода. Это позволяет снизить энергопотребление и продолжительность циклов сорбции и десорбции.

Устройство позволяет повысить экономичность работы устройства, возможность использования установки в закрытых помещениях. При этом достигается повышение эффективности установки за счет сокращения продолжительности цикла «сорбция» – «десорбция» и уменьшения величины сброса.

Формула изобретения

Адсорбционная установка, содержащая побудитель расхода воздуха, соединенный с двумя параллельно установленными адсорберами в виде кожухотрубчатых аппаратов с межтрубным пространством, заполненным адсорбентом, трубное пространство которых поочередно соединяется с нагревателем или холодильником, отличающаяся тем, что на выходе побудителя расхода установлено средство для грубой очистки в виде блока циклонов, выходы адсорберов соединены между собой трубопроводом, соединенным с вентилем сброса очищенного воздуха, перед вентилем сброса очищенного воздуха установлен фильтр тонкой очистки, на входе и выходе холодильника установлены обратные клапаны, и на входе в адсорберы установлен переключатель потока и вентиль сброса десорбируемого воздуха.

РИСУНКИ