RU2257944C1

RU2257944C1 - Adsorber

Info

Publication number: RU2257944C1
Application number: RU2004107290/15A
Authority: RU
Inventors: Т.П. Зима (RU); Т.П. Зима; Н.Ф. Гладышев (RU); Н.Ф. Гладышев; С.Н. Ерохин (RU); С.Н. Ерохин; В.А. Попов (RU); В.А. Попов; Б.В. Путин (RU); Б.В. Путин; С.И. Симаненков (RU); С.И. Симаненков; А.Ф. Скворцов (RU); А.Ф. Скворцов
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-08-10

Abstract

FIELD: devices for separation of gases by adsorption.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the devices for separation of gases by adsorption, in particular, to adsorbers for realization of a cyclical adsorption-desorption process of separation of the air. The adsorber used for a short-cycled heatingless adsorption contains a body filled with a sorbent and a mounted inside it at least one ring conical partition and unions for feeding (withdraval) of the treated gaseous medium and separation of a target component, supplied with the filtering partitions. At that in the narrowed part of the conical partition there is a filtering device made in the form of an enclosed in the body rolled transversely as Archimedes spiral hose filter inside which there is a band with protrusions and cavities forming with the hose filter internal walls bins and as a sorbent they use a layered charge of faujasite zeolites in calcium and lithium forms in the ratio from 0.2:1 up to 1:0.2. At that on the boundary line of the layers there are perforated partitions with a high thermal conductivity. The invention allows to improve reliability of operation of the adsorber.

EFFECT: the invention ensures improved reliability of operation of the adsorber.

8 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения газов адсорбцией, в частности к адсорберам для осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса разделения воздуха.The invention relates to a device for gas separation by adsorption, in particular to adsorbers for cyclic adsorption-desorption air separation process.

Известна адсорбционная установка для получения кислорода короткоцикловой безнагревной адсорбцией, содержащая блок из двух заполненных сорбентом адсорберов, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки подключены к ресиверу, в которой каждый адсорбер выполнен двухходовым с внутренней обечайкой, формирующей центральную полость, к которой подсоединен выходной патрубок, и кольцеобразную периферийную полость, к которой подсоединен входной патрубок, и послойно заполнен по крайней мере двумя различными сорбентами, первый из которых по ходу воздуха занимает не менее 0,1 объема адсорбера и имеет более крупное зернение, чем последующий, при этом ось внутренней обечайки и ось входного патрубка смещены в противоположные стороны относительно оси корпуса адсорбера, а диаметр внутренней обечайки составляет 0,4-0,7 от диаметра корпуса (см., например, патент РФ №2096072, МПК В 01 D 53/04, С 01 В 13/02, 1997 г.).A known adsorption installation for producing oxygen by short-cycle non-heating adsorption, comprising a block of two adsorbers filled with a sorbent, the inlet pipes of which are connected to a compressed air supply system, and the outlet pipes are connected to a receiver in which each adsorber is made two-way with an inner shell forming a central cavity to which is connected to the outlet pipe, and an annular peripheral cavity to which the inlet pipe is connected, and is layer-by-layer filled with at least two p different sorbents, the first of which, along the air, occupies at least 0.1 of the adsorber volume and has a larger granulation than the next, while the axis of the inner shell and the axis of the inlet pipe are shifted in opposite directions relative to the axis of the adsorber casing, and the diameter of the inner shell is 0 , 4-0.7 of the diameter of the body (see, for example, RF patent No. 2096072, IPC B 01 D 53/04, C 01 B 13/02, 1997).

Однако такая конструкция адсорбера не обеспечивает достаточную производительность адсорбера и функциональную надежность по сохранению основных технических характеристик гранулированного сорбционного материала в циклах сорбции-десорбции, что обусловлено неравномерным распределением потока газа по объему адсорбера и, соответственно, неоптимальным распределением скоростей газового потока. В зонах с пониженными скоростями могут образовываться застойные зоны, которые снижают производительность и полноту десорбции и делают работу адсорбера ненадежной при изменении параметров подаваемого на разделение газа: температуры, расхода и давления.However, this design of the adsorber does not provide sufficient adsorber performance and functional reliability in maintaining the main technical characteristics of the granulated sorption material in sorption-desorption cycles, which is caused by the uneven distribution of the gas flow over the volume of the adsorber and, accordingly, the non-optimal distribution of gas flow velocities. In areas with reduced speeds, stagnant zones can form, which reduce the productivity and completeness of desorption and make the adsorber operation unreliable when changing the parameters of the gas supplied to the separation: temperature, flow rate and pressure.

Известен адсорбер для разделения газов короткоцикловой безнагревной адсорбцией, содержащий корпус, заполненный цеолитовым сорбентом, и установленную внутри, по меньшей мере, одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные фильтрующими перегородками (Заявка Франции № 25557809, МПК B 01 D 53/04, 1985 г.).A known adsorber for gas separation by short-cycle non-heating adsorption, comprising a housing filled with a zeolite sorbent and installed inside at least one annular conical baffle and fittings for supplying (discharging) the treated gas medium and selecting the target component equipped with filter baffles (French Application No. 25557809, IPC B 01 D 53/04, 1985).

Такое конструктивное выполнение адсорбера способствует выравниванию скоростей газового потока по объему адсорбера и повышению его производительности.Such a constructive implementation of the adsorber helps to equalize the gas flow velocities over the volume of the adsorber and increase its productivity.

Известный адсорбер характеризуется недостаточной надежностью устройства, обусловленной малой пылеемкостью фильтрующей перегородки, установленной перед штуцером отбора целевого продукта. Поскольку количество продукционного газа, выходящего из адсорбера, в 6-8 раз превышает количество продукционного газа, возвращаемого в адсорбер в режиме "промывки" сорбента, то постепенно на фильтрующей перегородке происходит накопление фрагментов разрушившихся частиц сорбента, пылевидная часть которых задерживается в порах фильтрующей перегородки, что приводит к значительному росту сопротивления и, соответственно, к снижению эффективности процесса разделения.The known adsorber is characterized by insufficient reliability of the device due to the low dust capacity of the filtering partition installed in front of the fitting for the selection of the target product. Since the amount of production gas exiting the adsorber is 6–8 times greater than the amount of production gas returned to the adsorber in the “washing” sorbent mode, fragments of destroyed sorbent particles accumulate on the filtering partition, the dust part of which is trapped in the pores of the filtering partition, which leads to a significant increase in resistance and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the separation process.

Другим недостатком известной конструкции является нестабильность работы адсорбера во всем диапазоне рабочих температур, обусловленная образованием так называемого "холодного пятна" - зоны охлаждения адсорбента при адиабатическом расширении газа при сбросе давления в адсорбере.Another disadvantage of the known design is the instability of the adsorber in the entire range of operating temperatures, due to the formation of the so-called “cold spot” - the cooling zone of the adsorbent during adiabatic expansion of the gas when the pressure in the adsorber is released.

В результате снижается надежность работы адсорбера. Задачей изобретения является повышение надежности работы адсорбера.As a result, the reliability of the adsorber is reduced. The objective of the invention is to increase the reliability of the adsorber.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении сопротивления адсорбера и в обеспечении стабильной работы в диапазоне температур от +70°С до -50°С.The technical result achieved by the implementation of the invention is to reduce the resistance of the adsorber and to ensure stable operation in the temperature range from + 70 ° C to -50 ° C.

Технический результат достигается тем, что в адсорбере для короткоцикловой безнагревной адсорбции, содержащем корпус, заполненный сорбентом, и установленную внутри, по меньшей мере, одну кольцевую коническую перегородку и штуцеры для подвода (отвода) обрабатываемой газовой среды и отбора целевого компонента, снабженные фильтрующими перегородками, в сужающейся части конической перегородки установлено фильтрующее устройство в виде заключенного в корпус свернутого в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавного фильтра, внутри которого размещена лента с выступами и впадинами, образующими с внутренними стенками рукавного фильтра карманы, а в качестве сорбента используется послойная загрузка фожазитовых цеолитов в кальциевой и литиевой формах в соотношении от 0,2:1 до 1:0,2, при этом на линии раздела слоев установлены перфорированные перегородки с высокой теплопроводностью.The technical result is achieved in that in an adsorber for short-cycle non-heating adsorption containing a housing filled with a sorbent and installed inside at least one annular conical baffle and fittings for supplying (removing) the treated gas medium and selecting the target component, equipped with filter baffles, a filtering device is installed in the tapering part of the conical septum in the form of a bag filter, enclosed in a transversally rolled up envelope in the form of a spiral filter Archimedes three of which there is a tape with protrusions and depressions forming pockets with the inner walls of the bag filter, and a layer-by-layer loading of faujasitic zeolites in calcium and lithium forms in a ratio of 0.2: 1 to 1: 0.2 is used as a sorbent, while on the line section of the layers installed perforated partitions with high thermal conductivity.

Установка в сужающейся части конической перегородки фильтрующего устройства в виде заключенного в корпус свернутого в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавного фильтра, внутри которого размещена лента с выступами и впадинами, образующими с внутренними стенками рукавного фильтра карманы, исключает забивание пылью фильтрующей перегородки продукционного газа при работе адсорбера, приводящее к увеличению сопротивления потоку. Поэтому фильтрующее устройство способно работать в реверсивном потоке, не меняя своего сопротивления и удерживая задержанную пыль внутри себя без выбросов в полость адсорбера в течение всего межремонтного периода эксплуатации. При этом в полость карманов попадает только тонкодисперсная пыль, влияющая на сопротивление потоку фильтрующей перегородки, а крупные фрагменты в карманы попасть не могут, так как задерживаются на торцовой поверхности фильтрующего устройства и на величину сопротивления адсорбера не влияют. Тем самым сопротивление адсорбера сохраняется минимальным в течение всего периода эксплуатации адсорбера.The installation of a filtering device in the tapering part of the conical baffle in the form of a bag filter enclosed in a transverse direction rolled in the form of an Archimedes spiral, inside which a tape with protrusions and depressions forming pockets with the inner walls of the bag filter is placed, eliminates dust clogging of the filter gas of the production gas during operation adsorber, leading to an increase in flow resistance. Therefore, the filtering device is able to operate in a reverse flow without changing its resistance and holding the trapped dust inside without emission into the adsorber cavity during the entire overhaul period of operation. In this case, only finely dispersed dust gets into the cavity of the pockets, which affects the flow resistance of the filtering partition, and large fragments cannot get into the pockets, since they are retained on the end surface of the filtering device and do not affect the adsorber resistance. Thus, the resistance of the adsorber is kept minimal during the entire period of operation of the adsorber.

Использование в качестве сорбента послойной загрузки фожазитовых цеолитов в кальциевой и литиевой формах в соотношении от 0,2:1 до 1:0,2 обеспечивает стабильную работу адсорбера во всем диапазоне рабочих температур, например, от +70°С до -50°С, так как цеолиты в литиевой форме обеспечивают высокую производительность по продукционному газу при пониженной температуре, а цеолиты в кальциевой форме - при повышенной. У цеолитов в кальциевой форме при снижении температуры ниже 0°С селективность снижается настолько, что разделение газов становится неэффективным. При этом уменьшение доли цеолитов в кальциевой форме ниже 0,2 приводит к избыточной производительности при повышении температуры и к резкому снижению производительности при уменьшении температуры. Адсорбер при такой загрузке ненадежен в работе при колебаниях температуры. При загрузке цеолитов в литиевой форме наблюдается аналогичный результат при повышении температуры, так как селективность при повышении температуры заметно снижается. Это также обуславливает снижение надежности работы адсорбера при изменении температуры. Изменением соотношения загрузок цеолитов в кальциевой и литиевой формах в диапазоне от 0,2:1 до 1:0,2 можно достичь необходимой производительности адсорбера в рабочем диапазоне температур, что обеспечивает повышение надежности работы адсорбера. При других соотношениях различных цеолитов в загрузке обеспечить надежную работу адсорбера при меняющейся температуре невозможно.The use of a layer-by-layer loading of faujasite zeolites in calcium and lithium forms in a ratio of 0.2: 1 to 1: 0.2 ensures stable operation of the adsorber in the entire range of operating temperatures, for example, from + 70 ° C to -50 ° C, since zeolites in lithium form provide high production gas productivity at low temperatures, and zeolites in calcium form - at high. In zeolites in calcium form, when the temperature drops below 0 ° C, the selectivity decreases so much that gas separation becomes ineffective. At the same time, a decrease in the proportion of zeolites in calcium form below 0.2 leads to excess productivity with increasing temperature and a sharp decrease in productivity with decreasing temperature. The adsorber at such a load is unreliable in operation with temperature fluctuations. When loading zeolites in lithium form, a similar result is observed with increasing temperature, since selectivity decreases markedly with increasing temperature. This also leads to a decrease in the reliability of the adsorber when the temperature changes. By changing the ratio of zeolite downloads in calcium and lithium forms in the range from 0.2: 1 to 1: 0.2, it is possible to achieve the required adsorber capacity in the operating temperature range, which ensures an increase in the reliability of the adsorber. With other ratios of various zeolites in the load, it is impossible to ensure reliable operation of the adsorber at a changing temperature.

Установка на линии раздела слоев цеолитов в кальциевой и литиевой формах перфорированных перегородок. с высокой теплопроводностью обеспечивает, с одной стороны, выравнивание скоростей потока по всему живому сечению адсорбера за счет равномерности аэродинамических свойств перегородки, что исключает образование зон с меньшими скоростями потока, приводящих к уменьшению производительности адсорбера по продукционному газу, с другой стороны, устранение образования "холодного пятна" - зоны охлаждения адсорбента при адиабатическом расширении газа при сбросе давления в адсорбере за счет более высокой теплопроводности материала перегородки по сравнению с высокопористым цеолитом, что также исключает уменьшение производительности адсорбера по продукционному газу.Installation on the dividing line of zeolite layers in calcium and lithium forms of perforated partitions. with high thermal conductivity provides, on the one hand, equalization of flow rates over the entire living cross section of the adsorber due to the uniformity of the aerodynamic properties of the partition, which eliminates the formation of zones with lower flow velocities, leading to a decrease in the adsorber’s productivity in production gas, and on the other hand, elimination of the formation of “cold” spots "- the cooling zone of the adsorbent during adiabatic expansion of the gas during pressure relief in the adsorber due to the higher thermal conductivity of the material of the partition In comparison with the highly porous zeolite, which also excludes the reduction in performance of the adsorber Produktcionnyj gas.

Таким образом, применение послойной загрузки цеолитов в кальциевой и литиевой формах в заданном их соотношении и установка по линии раздела слоев цеолита перфорированных перегородок с высокой теплопроводностью обеспечивает достижение стабильности работы устройства во всем диапазоне рабочих температур, что обеспечивает повышение эффективности работы устройства.Thus, the use of layer-by-layer loading of zeolites in calcium and lithium forms in their predetermined ratio and the installation of perforated partitions with high thermal conductivity along the line of zeolite layers ensures stability of the device in the entire range of operating temperatures, which improves the efficiency of the device.

На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого устройства. На фиг.1 показан общий вид адсорбера в разрезе, на фиг.2 - показана конструкция фильтра, на фиг.3 - вид фильтра сверху, на фиг.4 - вид ленты сбоку, на фиг.5 показан вид по стрелке А фигуры 4, на фиг.6 показан участок рукавного фильтра, на фиг.7 - сечение по Б-Б и на фиг.8 показан вид перфорированной перегородки.The drawings show the design of the proposed device. Figure 1 shows a General view of the adsorber in section, figure 2 shows the design of the filter, figure 3 is a top view of the filter, figure 4 is a side view of the tape, figure 5 shows a view along arrow A of figure 4, in Fig.6 shows a portion of the bag filter, Fig.7 is a section along BB and Fig.8 shows a view of a perforated partition.

Адсорбер для короткоцикловой безнагревной адсорбции содержит корпус 1, содержащий верхнюю крышку 2, соединенную с устройством поджима 3, выполненного в виде кольца с сеткой, посредством набора пружин 4. Крышка 2 установлена в корпусе 1 посредством шомполов 5. Нижняя часть корпуса 1 установлена с помощью резьбового соединения в основании 6, снабженном штуцерами для подвода разделяемого воздуха 7 и отбора продукционного газа 8, на выходе из которых со стороны адсорбера установлены металлокерамические фильтрующие элементы, соответственно 9 и 10, причем фильтрующий элемент 9 выполнен в виде кольца, охватывающего фильтрующий элемент 10. На основании 6 установлена также коническая перегородка 11, которая позволяет увеличить эффективную высоту адсорбера без увеличения высоты корпуса. В сужающейся части конической перегородки 11 установлено фильтрующее устройство 12 в виде заключенного в корпус 13 свернутого в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавного фильтра 14, внутри которого размещена лента 15 с выступами и впадинами в виде просечек, образующих с внутренними стенками рукавного фильтра карманы. Корпус 13 снабжен сетчатыми крышками 16, установленными на его торцах.The adsorber for short-cycle heating without adsorption comprises a housing 1 comprising a top cover 2 connected to a clamping device 3 made in the form of a ring with a net by means of a set of springs 4. Cover 2 is installed in the housing 1 by means of ramrods 5. The lower part of the housing 1 is installed using a threaded the connection in the base 6, equipped with fittings for supplying shared air 7 and the selection of production gas 8, at the outlet of which metal-ceramic filter elements are installed on the adsorber side, respectively 9 and 10, Rich filtering element 9 is designed as a ring encircling the filter element 10. In the base 6 is also installed a conical baffle 11 which increases the effective height of the adsorber without increasing the height of the housing. In the tapering part of the conical septum 11, a filter device 12 is installed in the form of a bag filter 14 wrapped in the transverse direction in the form of an Archimedes spiral coiled in a case 13 and inside of which is a ribbon 15 with protrusions and depressions in the form of notches forming pockets with the inner walls of the bag filter. The housing 13 is equipped with mesh covers 16 mounted on its ends.

В полости адсорбера над фильтрующей перегородкой 9 размещен слой силикагеля 17 в количестве от 3 до 10% от общей массы загружаемого сорбента, над слоем силикагеля в пространстве между корпусом 1 и конической перегородкой 11 помещается слой цеолита 18 в кальциевой форме в количестве 35-45%, остальное свободное пространство заполняется цеолитом 19 в литиевой форме в количестве более 45-55%. Между слоями сорбента размещаются перфорированные перегородки 20, выполненные в виде частей кольца для обеспечения возможности установки между слоями в пространстве между корпусом 1 и конической вставкой 11.In the cavity of the adsorber above the filter baffle 9 a layer of silica gel 17 is placed in an amount of 3 to 10% of the total mass of the loaded sorbent, a layer of zeolite 18 in a calcium form in the amount of 35-45% is placed in the space between the housing 1 and the conical baffle 11 the remaining free space is filled with zeolite 19 in lithium form in an amount of more than 45-55%. Between the layers of the sorbent are perforated partitions 20, made in the form of parts of the ring to allow installation between the layers in the space between the housing 1 and the conical insert 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Подготовка адсорбера к работе заключается в установке в адсорбер при снятой крышке 2 фильтрующего устройства 12, помещаемого в основание конической перегородки 11 и последующей засыпке в полость, образованную корпусом 1 и основанием 6, отрегенерированных сорбентов: силикагеля 17 и цеолитов в кальциевой форме 18 и литиевой форме 19, между которыми устанавливаются перфорированные металлические перегородки 20. Затем устанавливается крышка 2, которая через набор пружин 4 воздействует на устройство поджима 3, уплотняя загрузку сорбентов 17, 18 и 19. Крышка 2 фиксируется в корпусе 1 шомполами 5. После подсоединения адсорбера к линиям подвода разделяемого воздуха и отбора продукционного газа, соответственно, к штуцерам для подвода разделяемого воздуха 7 и отбора продукционного газа 8 адсорбер включают в работу.Preparation of the adsorber for operation consists of installing the filter device 12 in the adsorber when the cover 2 is removed, placed in the base of the conical septum 11 and then backfilling into the cavity formed by the housing 1 and base 6, the regenerated sorbents: silica gel 17 and zeolites in calcium form 18 and lithium form 19, between which perforated metal partitions are installed 20. Then a cover 2 is installed, which through a set of springs 4 acts on the clamping device 3, sealing the loading of sorbents 17, 18 and 19. Roof ka 2 is fixed in the housing 1 ramrods 5. After connecting the adsorber to the lines of the shared air inlet and selecting a production gas, respectively, to connecting pipes for supplying air shared 7 and 8, the selection of a production gas adsorber include job.

Адсорбер работает следующим образом: через штуцер 7 в адсорбер подается разделяемый воздух под давлением от 0,1 до 1 МПа, проходящий через металлокерамический фильтрующий элемент 9 и слой силикагеля 17, в котором очищается от избыточной влаги. Проходя далее через слои цеолитов, подаваемый на разделение воздух за счет избирательности поглощения освобождается от азота, и воздух с избыточным содержанием кислорода через фильтрующий элемент 12 и металлокерамический фильтрующий элемент 10 поступает на выход продукционного газа 8.The adsorber works as follows: through the nozzle 7, the shared air is supplied to the adsorber under a pressure of 0.1 to 1 MPa, passing through a ceramic-metal filter element 9 and a layer of silica gel 17, in which it is cleaned of excess moisture. Passing further through the layers of zeolites, the air supplied to the separation due to selectivity of absorption is freed from nitrogen, and air with an excess oxygen content through the filter element 12 and the cermet filter element 10 enters the outlet of the production gas 8.

При сбросе давления воздух с избытком азота сбрасывается из адсорбера через штуцер 7 в атмосферу. При этом количество воздуха, проходящего через металлокерамический фильтр в обоих направлениях, примерно равно. Часть продукционного газа (10-30% от общего количества продукционного газа) при сбросе давления в адсорбере вновь поступает в адсорбер через штуцер 8. Этого количества продукционного газа достаточно, чтобы осуществить промывку адсорбента, но недостаточно, чтобы избежать концентрационной поляризации металлокерамического фильтра 10 взвешенными частицами. Проходя через сужающуюся часть конической перегородки 11 и фильтрующее устройство 12, эти частицы попадают в заключенный в корпусе 13 свернутый в поперечном направлении в виде спирали Архимеда рукавный фильтр 14, пылевидные частицы попадают в карманы, образованные лентой 15 и внутренними стенками рукавного фильтра 14.When the pressure is released, air with an excess of nitrogen is discharged from the adsorber through the nozzle 7 into the atmosphere. In this case, the amount of air passing through the cermet filter in both directions is approximately equal. Part of the production gas (10-30% of the total production gas) when pressure is released in the adsorber again enters the adsorber through the nozzle 8. This quantity of production gas is sufficient to flush the adsorbent, but not enough to avoid concentration polarization of the cermet filter by 10 suspended particles . Passing through the tapering part of the conical septum 11 and the filter device 12, these particles fall into the bag filter 14, which is encapsulated in the transverse direction in the form of an Archimedes spiral and is enclosed in a housing 13 and dust particles enter the pockets formed by the tape 15 and the inner walls of the bag filter 14.

Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность работы адсорбера при самых тяжелых условиях эксплуатации: при повышенной влажности, высоких и низких температурах, при скачках перепадов давления, вызывающих частичное разрушение адсорбента.The proposed device allows to increase the reliability of the adsorber under the most severe operating conditions: at high humidity, high and low temperatures, with pressure fluctuations, causing partial destruction of the adsorbent.

Claims

An adsorber for short-cycle heating without adsorption, comprising a housing filled with a sorbent and at least one annular conical baffle installed inside and fittings for supplying (discharging) the treated gas medium and selecting the target component, equipped with filter baffles, characterized in that in the tapering part of the conical baffle a filter device is installed in the form of a bag filter wrapped in the transverse direction enclosed in a transverse direction in the form of an Archimedes spiral, inside nta with protrusions and depressions forming pockets with the inner walls of the bag filter, and a layer-by-layer loading of faujasitic zeolites in calcium and lithium forms in a ratio of 0.2: 1 to 1: 0.2 was used as a sorbent, with perforated perforated lines partitions with high thermal conductivity.