Установка непрерывного адсорбционного разделения неконденсирующихся газов

Предложена установка непрерывного адсорбционного разделения неконденсирующихся газов (например, воздуха или водород содержащего газа или разделения изо и нормальных парафиновых углеводородов) на основе адсорбера и десорбера в виде спирального транспортера. Установка имеет ряд преимуществ перед традиционными КБА, (короткоцикловыми безнагревными адсорбционными). Установка оборудуется известным, хорошо промышленно освоенным оборудованием.

Известны установки адсорбционного разделения неконденсирующихся газов [1] в химической области промышленности.

Отличительной чертой таких газов является их неспособность конденсироваться при температуре разделения, и, как следствие очень низкая адсорбция их на любом адсорбенте (очень низкий коэффициент Генри, т.е. отношение емкости адсорбента к парциальному давлению адсорбата).

Поэтому адсорбционные установки по их разделению имеют свою глубокую специфику:

- Весьма большой объем адсорбента;

- Короткие акты процессов адсорбции и десорбции с целью уменьшения объема адсорберов;

- Необходимость перепуска газа между актами адсорбции и десорбции, с целью уменьшения потерь газа на обратную продувку и его сброса из объема, незаполненного адсорбентом;

- Безнагревное проведение процесса десорбции, так как из-за малой адсорбционной емкости процессы адсорбции и десорбции происходят изотермически, а нагрев адсорбента при акте десорбции крайне невыгоден из-за большой разницы между теплоемкостями газа и адсорбента;

- Акт десорбции осуществляется за счет снижения давления и обратной продувки адсорбента частью продуктового газа.

Таким образом, в промышленности нашел применение процесс «безнагревной адсорбции» (на самом деле безнагревной десорбции) под названием PSA-КБА(короткоцикловая безнагревная адсорбция) или КЦА(короткоцикловая адсорбция). Процесс осуществлен на попеременно переключающихся адсорберах; акты адсорбции и десорбции происходят с перепуском между ними газа из одного адсорбера в другой.

В схемах установок используют от двух до нескольких адсорберов, но в любом случае один из адсорберов находится в акте адсорбции, а остальные в акте десорбции или перепуска, либо на выходе продукта устанавливают рессивер, из которого отбирают продукт; при этом происходит некторая потеря давления.

На Фиг.1, для примера, представлена технологическая схема двухадсорберной установки для получения кислорода из воздуха:

1 и 2 - адсорберы;

3 - ресивер;

4 - вентиль;

5 - дросселирующее устройство (вентиль, диафрагма);

6, 7, 8, 9, 10, 11 - запорные автоматически управляемые клапаны

На Фиг.2 представлена циклограмма работы установки:

Р - давление процесса;

t - время;

1-2 - акт заполнения адсорбера свежим газом;

2-3 - акт адсорбции;

3-4 - перепуск газа из одного адсорбера в другой;

4-5 - сброс газа в атмосферу;

5-1 акт десорбции.

Альтернативой КБА предлагается установка «гиперсорбция» [2], осуществленная в непрерывном режиме в движущимся адсорбентов, но из-за высокой конструктивной сложности и значительных потерь дорогостоящего, специального, гранулированного адсорбента не выдержала конкуренции с более простыми и дешевыми адсорбционными установками со стационарным слоем адсорбента.

За прототип нами выбрана установка КБА, за аналог установка «гиперсобер». Предлагаемая установка непрерывного адсорбционного разделения газов лишена указанных выше недостатков и имеет перед упомянутыми выше КБА следующие преимущества:

- Непрерывность актов адсорбции и десорбции, т.к. адсорбция и десорбция проводятся в отдельных аппаратах с непрерывным движением адсорбента внутри их, и перетекание адсорбента из одного аппарата в другой через роторные затворы, что отличает предлагаемую установку от КБА;

- Малое гидравлическое сопротивление потокам газа т.к. газуне приходится протекать через стационарный слой адсорбента как в КБА, что особенно важно для акта десорбции;

- Высокую скорость потоков газа, на порядок большую скорости газа в традиционных адсорберах что дало возможность значительно уменьшить диаметр и адсорбера и десорбера;

- Проведение актов адсорбции и десорбции в отдельных аппаратах, при изохорических процессах адсорбции и десорбции в противотоке движения адсорбента и газа, что обеспечивает минимальный коэффициент избытка обратного потока за счет противоточного движения газа и адсорбента;

- Небольшой механический износ адсорбента в отличие от такового в "гиперсорбере" за счет использования пылевидного адсорбента;

- А также короткое время отработки адсорбента (высокая динамика актов адсорбции и десорбции);

- Короткое время отработки адсорбента (высокая динамика актов адсорбции и десорбции) за счет использования пылевидного адсорбента;

- Короткое время выхода установки на рабочий режим за счет полной реактивации адсорбента в процессе десорбции в пусковом режиме и краткого времени пребывания адсорбента в аппаратах;

- Низкая концентрация продукта в сбросном газе, что позволяет увеличить степень извлечения продуктового газа;

- Установка оборудуется известным, хорошо освоенным промышленностью оборудованием.

На фиг.3 представлена схема предлагаемой установки:

1. Адсорбер;

2. Десорбер;

3, 4. Спирали - движители адсорбента;

5, 6. Мотор - редукторы - привод спиралей;

7, 8, 9, 10, 11, 12 роторные затворы или запорные клапана;

13, 14, 15 штуцеры входа и выхода газов;

16, 17 фильтры;

18 линия обратной продувки адсорбента при акте десорбции;

На фиг.4 представлена схема роторного затвора с внутренним перепуском газа:

19. Корпус;

20.Ротор;

21. Перепуск газа;

22. Вход адсорбента;

23, 24. Штуцеры перепуска газа.

И адсорбер 1 и адсорбер 2 представляют собой спиральные транспортеры, внутри трубчатого корпуса которых, находятся спирали 3 и 4, приводимые во вращение мотор -редукторами 5 и 6. И адсорбер и десорбер заполнены пылевидным адсорбентом.

Основным конструктивным элементов установки является то, что адсорбер! и десорбер2, выполнении и расположенны таким образом, что вход адсорбента в десорбер находится под выходом его из адсорбера и наоборот - вход адсорбента в адсорбер под выходом его из десорбера.

Входы и выходы адсорбента соединены через системы роторных затворов 7, 8, 9, 10, 11, 12, как это показано на фиг.3. На нижних концах адсорбера и десорбера располагают фильтры 16 и 17 со штуцерами 14 для выхода продуктового газа, газа для реактивации 18, и 15 для выхода сбросного газа.

Движение газа и в акте адсорбции и акте десорбции происходит в противтоке к движению адсорбента.

Движение адсорбента вверх осуществляется в наклонных аппаратах за счет вращения спиралей 3 и 4 мотор - редукторами 5 и 6.

Переток адсорбента сверху вниз осуществлен через роторные затворы (или запорные клапаны, открывающиеся и закрывающиеся последовательно) - 7, 8, 9, 10, 11, 12 для разделения потоков газа в адсорбере и десорбере. Вход газов в адсорбер и десорбер через штуцеры 13, 14 и 15. Выход через фильтры 16 и 17, которые не позволяют взвешенным частицам пылевидного адсорбента улетучиваться из аппаратов. (Уловленная фильтрами пыль адсорбента сваливается в поток адсорбента.) В качестве фильтров, например, могут использоваться фильтры с короткоимпульспой обратной продувкой.

Т.к. при перепуске адсорбента из одного аппарата в другой перетекает значительное количество газа (из-за пористости адсорбента, неполного заполнения объема роторных затворов и разности давлений в адсорбере и десорбере и «холостого» хода вращающейся части ротора), то, чтобы его уменьшить (или полностью ликвидировать) и сохранить в качестве продукта, предлагается поставить на пути перетекания адсорбента не по одному, а по несколько роторных затворов, это позволяет разбить переток на несколько закрытых объемов с меньшим перерадом давлений.

При правильно выбранном числе роторных затворов и скорости их вращения возможно полностью исключить лишнее перетекание продуктового газа, и оставить только то количество, которое необходимо для обратной продувки и равно:

V - величина продуктового потока газа;

Киз - коэффициент избытка газа обратного потока (обычно Киз=1.1);

Pa и Рд - давления адсорбции и десорбции.

При этом возможно исключение линии обратной продувки 18. Не менее важно уменьшить потери продукта на линии перепуска отработанного адсорбента из адсорбера в десорбер, что также достигается увеличением количества затворов, при этом из установки выводится бедный целевым продуктом газ (концентрат примеси) т.к. при ступенчатом сбросе давления из адсорбента эвакуируется плохо адсорбирующийся продуктовый газ, который частично возвращается в сырьевой газ.

Роторные затворы могут быть заменены запорными клапанами, причем их количество должно быть на один больше чем роторных затворов.

Роторные затворы на потоке 4 адсорбента из десорбера в адсорбер могут быть снабжены перепуском 19 между прямым и обратным ходом ротора затвора 1 как показано на фиг.4. В этом случае количество роторных затворов может быть уменьшено вдвое.

Установка может использоваться для получения азота (или кислорода) из воздуха, концентрирования водорода из водородосодержащих газов, разделения изо и нормальных парафинов, (например пентана и изопентана) и многих других газовых смесей.

Все использованное в установке оборудование хорошо освоено современной промышленностью, обладает высокими надежностью и степенью автоматизации в управлении, может работать в условиях повышенных давлений и температур.

Спиральные транспортеры и роторные затворы при применении в условиях предлагаемой установки будут работать с низкими скоростями вращения, с минимальным износом адсорбента.

Возможность использования пылевидного адсорбента обеспечивает долгую сохранность адсорбционных и прочностных свойств, высокую динамическую интенсивность. Фильтры с короткоимпульсной обратной продувкой, изготовленные из стальной нержавеющей сетки, способны надежно защищать от утечки из системы адсорбентной пыли, прочны и надежны.

В установке используется пылевидная фракция тех же самых адсорбентов как в КБА. Работа спиральных аппаратов проверена на пилотных установках: при адсорбции углеводородов и десорбции их азотом или дымовыми газами при соответствующих температурах, исключающих конденсацию паров.

Адсорбция и десорбция азота или кислорода на цеолитах и специальных марках угля известны [3]. Работа адсорбентов в условиях КБА хорошо исследована [1,2] и ее результаты использованы нами при расчетах предлагаемой установки.

Использованная литература:

1. Ю.И.Шумяцкий, Промышленные адсорбционные процессы, стр.155-16 Москва, "Колосс", 2009, УДК 66.08(075); ББК 35.20/46:22.395273; JSVN 978-5-9532-0656-3;

2. Тоже, стр.176-182;

3. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М. Химия, 1984.

1. Установка непрерывного адсорбционного разделения неконденсирующихся газов, состоящая из адсорбера, десорбера, роторных затворов или запорных клапанов, отличающаяся тем, что в качестве адсорбера и десорбера используют спиральные транспортеры, внутри которых в противотоке движутся газы и адсорбент, причем и адсорбер и десорбер расположены наклонно, так что адсорбент перетекает через роторные затворы или запорные клапаны из выхода адсорбера во вход десорбера и из выхода десорбера во вход адсорбера.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на выходе газов из адсорбера и десорбера поставлены фильтры.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на линиях перетока адсорбента используют несколько роторных затворов или запорных клапанов.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на линии перетока адсорбента из десорбера в адсорбер могут стоять роторные затворы с перепуском газа из полости холостого хода ротора в полость рабочего хода, заполненную адсорбентом.