RU2677203C1

RU2677203C1 - Vertical adsorber with variable internal volume

Info

Publication number: RU2677203C1
Application number: RU2018108485A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Наумов; Сергей Владимирович Митрофанов; Николай Федорович Кокарев; Виталий Юрьевич Соколов; Алексей Викторович Садчиков; Дмитрий Юрьевич Черяпкин
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-01-15

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to separation of gas mixes by short-cycle unheated adsorption. Gas mix flow is subjected to compression in compressor and forced cyclically through adsorbent layer in two parallel jointed adsorption columns wherein pressure increase and decrease conditions are sequentially maintained. Said conditions are maintenance using synchronous switching of inlet and outlet valves. In the proposed vertical adsorber with a variable internal volume, a fixed partition with a movable valve in the shape of a truncated cone is installed. In the desorption mode, the load on the pump is reduced by lowering the internal volume of the adsorption column.

EFFECT: invention provides increase in the efficiency of the adsorbent regeneration process in the desorption mode and decrease in energy costs.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам разделения газовых смесей методом короткоцикловой безнагревной адсорбции. Поток разделяемой газовой смеси подвергают сжатию в компрессоре и последовательно циклически пропускают через слой адсорбента в двух параллельно соединенных адсорбционных колоннах, в которых циклически и последовательно организуют режимы повышения и понижения давления. Режимы повышения и понижения давления организуют с помощью синхронного переключения системы входных и выходных клапанов.The invention relates to methods for the separation of gas mixtures by the method of short-cycle heating without adsorption. The flow of the separated gas mixture is compressed in a compressor and sequentially cyclically passed through an adsorbent bed in two parallel connected adsorption columns, in which pressure increase and decrease modes are cyclically and sequentially organized. Modes of increase and decrease pressure are organized by synchronously switching the system of input and output valves.

В технологии промышленной адсорбции газов и паров широкое применение нашли вертикальные адсорберы, внутренняя полость которых заполнена неподвижным слоем зернистого адсорбента. При этом адсорбент равномерно распределен по всей площади поперечного сечения аппарата.In the technology of industrial adsorption of gases and vapors, vertical adsorbers are widely used, the inner cavity of which is filled with a fixed layer of granular adsorbent. In this case, the adsorbent is uniformly distributed over the entire cross-sectional area of the apparatus.

Вертикальные адсорберы с неподвижным слоем адсорбента просты по конструкции. Они пригодны для осуществления процесса адсорбции в достаточно большом диапазоне давлений и расходов перерабатываемых газов. Их широко используют в технологии очистки и осушки углеводородных газов, таких как природные, нефтяные, газы пиролиза углеводородного сырья и др. Они также применяются для процессов очистки газов, например, от летучих растворителей, осушки воздуха, получения чистых инертных газов. В качестве поглотителей при осуществлении процесса адсорбции в зависимости от того, какой компонент поглощается из газовой смеси, чаще других применяют активный уголь, цеолиты, силикагели и активную окись алюминия.Vertical adsorbers with a fixed adsorbent bed are simple in design. They are suitable for the implementation of the adsorption process in a sufficiently large range of pressures and flows of the processed gases. They are widely used in the technology of cleaning and drying hydrocarbon gases, such as natural, petroleum, hydrocarbon pyrolysis gases, etc. They are also used for gas cleaning processes, for example, from volatile solvents, air drying, and production of pure inert gases. As absorbers in the process of adsorption, depending on which component is absorbed from the gas mixture, activated carbon, zeolites, silica gels and active alumina are most often used.

Известна конструкция адсорбера, используемая для проведения адсорбционных процессов (патент РФ №2530112 опубликовано 10.10.2014 бюл. №28), который в своем составе содержит типовые элементы: вертикальный корпус, штуцер для входа перерабатываемого газа, установленный по оси верхнего днища корпуса, штуцер для выхода перерабатываемого газа, который установлен по оси нижнего эллиптического днища. В нижней части корпуса смонтировано опорное устройство, содержащее опорную решетку, опорное кольцо, приваренное к корпусу. В крышках смонтированы штуцеры для подачи исходной смеси с распределительной сеткой и для отвода компонентов при десорбции. Через входной штуцер в адсорбер подается разделяемый газ под давлением. При сбросе давления более сорбирующийся компонент сбрасывается из адсорбера через выходной штуцер в атмосферу.The known design of the adsorber used to carry out adsorption processes (RF patent No. 2530112 published 10.10.2014 bull. No. 28), which in its composition contains typical elements: a vertical casing, a fitting for the input of the processed gas, mounted along the axis of the upper bottom of the casing, a fitting for the outlet of the processed gas, which is installed along the axis of the lower elliptical bottom. In the lower part of the housing, a support device is mounted comprising a support grid, a support ring welded to the housing. The caps are mounted fittings for supplying the initial mixture with a distribution grid and for removal of components during desorption. Separate gas is supplied under pressure through the inlet fitting to the adsorber. When the pressure is released, the more sorbed component is discharged from the adsorber through the outlet fitting into the atmosphere.

Также известна конструкция адсорбера (патент РФ №2011937 опубликовано 30.04.1994), вертикальный цилиндрический корпус, верхнее и нижнее днища, полость для адсорбента, входные и выходные клапаны. Сжатый газ поступает в установку по трубопроводу через открытый электроуправляемый клапан, далее он поступает в адсорбер, который заполнен селективным адсорбентом. Газовый поток на очистку подается в нижнюю часть аппарата через входной клапан и далее проходит через распределительную сетку. Очищенный газовый поток выводится из адсорбера через выходной клапан. Десорбция осуществляется при пониженном давлении и закрытом входном клапане.Also known is the design of the adsorber (RF patent No.2011937 published April 30, 1994), a vertical cylindrical body, upper and lower bottoms, a cavity for the adsorbent, inlet and outlet valves. Compressed gas enters the installation through a pipeline through an open electrically controlled valve, then it enters the adsorber, which is filled with selective adsorbent. The gas stream for cleaning is fed to the lower part of the apparatus through the inlet valve and then passes through the distribution grid. The cleaned gas stream is discharged from the adsorber through the outlet valve. Desorption occurs under reduced pressure and the inlet valve is closed.

К недостаткам указанных конструкций вертикальных адсорберов следует отнести относительно высокие энергетические затраты на регенерацию адсорбента в режиме десорбции. Затраты связанны с тем, что в режиме десорбции разрежение происходит по всему внутреннему объему колонны, включая области, не заполненные адсорбентом, объем которых сравним с заполненным объемом. В режиме десорбции не заполненные адсорбентом внутренние области объема адсорбера вызывают дополнительную нагрузку на откачивающий насос, таким образом снижая качество условий регенерации за счет увеличения энергозатрат на работу откачивающего насоса и времени десорбции.The disadvantages of these designs of vertical adsorbers include the relatively high energy costs for regeneration of the adsorbent in desorption mode. The costs are associated with the fact that, in the desorption mode, rarefaction occurs throughout the entire internal volume of the column, including regions not filled with adsorbent, the volume of which is comparable to the filled volume. In the desorption mode, the inner regions of the adsorber volume that are not filled with adsorbent cause an additional load on the pump, thereby reducing the quality of the regeneration conditions by increasing the energy consumption for the pump and the desorption time.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является конструкция адсорбера (патент РФ №2530112 опубликовано 10.10.2014 бюл. №28) и принята за прототип.Closest to the claimed invention is the design of the adsorber (RF patent No. 2530112 published 10.10.2014 bull. No. 28) and adopted as a prototype.

Недостатками такого адсорбера является одинаковый внутренний объем колонны в режиме адсорбции и десорбции, что сказывается на энергетических затратах в режиме десорбции.The disadvantages of this adsorber is the same internal volume of the column in the adsorption and desorption mode, which affects the energy costs in the desorption mode.

Технический результат - повышение эффективности процесса регенерации адсорбента в режиме десорбции и снижение энергетических затрат.The technical result is an increase in the efficiency of the adsorbent regeneration process in the desorption mode and a reduction in energy costs.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом вертикальном адсорбере с переменным внутренним объемом, состоящем из цилиндрического корпуса с верхней и нижней крышкой и расположенной внутри корпуса цилиндрической сетчатой емкостью, заполненным адсорбентом, с входным и выходными клапанами, установлена неподвижная перегородка с подвижной заслонкой в форме усеченного конуса с возвратно-поступательным движением. В режиме десорбции за счет уменьшения внутреннего объема адсорбционной колонны снижается нагрузка на насос.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed vertical adsorber with a variable internal volume, consisting of a cylindrical body with an upper and lower cover and a cylindrical mesh container filled with adsorbent inside the body, with inlet and outlet valves, a fixed partition with a movable shutter in the form truncated cone with reciprocating motion. In the desorption mode, due to a decrease in the internal volume of the adsorption column, the load on the pump is reduced.

Вертикальный адсорбер с переменным внутренним объемом предназначен для очистки бинарной смеси, состоящей из сорбирующегося компонента и несорбирующегося компонента.A vertical adsorber with a variable internal volume is designed to clean a binary mixture consisting of a sorbed component and a non-sorbed component.

На фиг. 1 изображен вертикальный адсорбер с переменным внутренним объемом работающий в режиме адсорбции.In FIG. 1 shows a vertical adsorber with a variable internal volume operating in the adsorption mode.

На фиг. 2 изображен вертикальный адсорбер с переменным внутренним объемом работающий в режиме десорбции.In FIG. 2 shows a vertical adsorber with a variable internal volume operating in the desorption mode.

На фиг. 3 изображен поперечный разрез вертикального адсорбера с переменным внутренним объемом в области емкости с цеолитом.In FIG. 3 shows a cross section of a vertical adsorber with a variable internal volume in the region of the tank with zeolite.

На фиг. 4 изображен поперечный разрез вертикального адсорбера с переменным внутренним объемом в области пространства не заполненного адсорбентом.In FIG. 4 shows a cross section of a vertical adsorber with a variable internal volume in the region of space not filled with adsorbent.

Вертикальный адсорбер с переменным внутренним объемом включает в себя следующие компоненты: клапаны для выхода несорбирующегося компонента 1; неподвижные направляющие 2; подвижные заслонки в форме усеченного конуса 3; сетчатая цилиндрическая емкость заполненная адсорбентом 4; клапан для выхода сорбирующегося компонента 5; объем колонны незаполненный адсорбентом 6; входной клапан для бинарной смеси, состоящей из сорбирующегося компонента и несорбирующегося компонента 7; корпус адсорбционной колонны 8; неподвижные перегородки 9; отверстия для направляющих 10.The vertical adsorber with variable internal volume includes the following components: valves for the exit of the non-absorbable component 1; motionless guides 2; movable valves in the form of a truncated cone 3; mesh cylindrical container filled with adsorbent 4; a valve for the exit of the sorbed component 5; column volume unfilled with adsorbent 6; an inlet valve for a binary mixture consisting of a sorbed component and a non-sorbed component 7; adsorption column housing 8; fixed partitions 9; holes for guides 10.

Вертикальный адсорбер с переменным внутренним объемом работает следующим образом, процесс очистки бинарной смеси включает в себя два последовательных режима: режим адсорбции и режим десорбции. В режиме адсорбции бинарная смесь при повышенном давлении поступает в корпус адсорбционной колонны 8 через входной клапан для бинарной смеси, состоящей из сорбирующегося компонента и несорбирующегося компонента 7, далее газовая смесь проходит через сетчатую цилиндрическую емкость заполненную адсорбентом 4, который под действием манометрического давления смеси адсорбирует на своей поверхности сорбирующейся компонент. Смесь, проходя через адсорбер, очищается, концентрация несорбирующегося компонента повышается, и очищенный газ выходит из корпуса адсорбционной колонны 8 через клапаны для выхода несорбирующегося компонента 1. При этом подвижные заслонки в форме усеченного конуса 3, с отверстиями для направляющих 10, закрепленные на неподвижных направляющих 2, под действием манометрического давления газового потока двигаются поступательно по нормали к неподвижной перегородке 9 в направлении от сетчатой цилиндрической емкости заполненной адсорбентом 4, обеспечивая тем самым открытое состояние заслонок. При этом клапан для выхода сорбирующегося компонента 5 закрыт.A vertical adsorber with a variable internal volume works as follows, the process of purification of a binary mixture includes two successive modes: adsorption mode and desorption mode. In the adsorption mode, the binary mixture at elevated pressure enters the body of the adsorption column 8 through the inlet valve for the binary mixture, consisting of the sorbed component and the non-absorbable component 7, then the gas mixture passes through a cylindrical mesh container filled with adsorbent 4, which adsorbs the mixture under the gauge pressure its surface sorbed component. The mixture, passing through the adsorber, is purified, the concentration of the non-absorbable component rises, and the purified gas leaves the adsorption column housing 8 through the valves to exit the non-absorbable component 1. At the same time, the movable shutters in the form of a truncated cone 3, with holes for the guides 10, mounted on fixed guides 2, under the influence of gauge pressure of the gas flow, they move progressively along the normal to the fixed partition 9 in the direction from the mesh cylindrical container filled with adsorbent 4, about thereby ensuring the open state of the dampers. In this case, the valve for the exit of the sorbed component 5 is closed.

В режиме десорбции происходит регенерация адсорбента за счет удаления сорбирующегося компонента при пониженном давлении, при этом закрываются клапаны для выхода несорбирующегося компонента 1 и клапан для бинарной смеси, состоящей из сорбирующегося компонента и несорбирующегося компонента 7, открывается клапан для выхода сорбирующегося компонента 5. Подвижные заслонки в форме усеченного конуса 3, с отверстиями для направляющих 10, закрепленные на неподвижных направляющих 2, под действием вакуумметрического давления, создаваемого откачивающим насосом через клапан для выхода сорбирующегося компонента 5, втягиваются по неподвижным направляющим 2 двигаясь возвратно по нормали к неподвижным перегородкам 9 в направлении к емкости с адсорбентом, и прижимаются к неподвижным перегородкам 9, закрепленным по торцам сетчатой цилиндрической емкости заполненной адсорбентом 4, тем самым происходит уменьшение внутреннего объема колонны, на величину объема колонны незаполненного адсорбентом 6. Часть объема колонны незаполненного адсорбентом 6 заштрихована на фиг. 2. В результате предложенного изменения конструкции, снижается нагрузка на откачивающий насос и повышается эффективность процесса регенерации адсорбента. Удаление сорбирующегося компонента происходит через клапан для выхода сорбирующегося компонента 5.In the desorption mode, the adsorbent is regenerated by removing the adsorbed component under reduced pressure, while the valves for the exit of the non-absorbable component 1 are closed and the valve for the binary mixture consisting of the adsorbed component and the non-absorbable component 7, the valve for the exit of the adsorbed component 5 is opened. the shape of a truncated cone 3, with holes for the guides 10, mounted on the fixed guides 2, under the action of vacuum pressure generated by pumping by the pump through the valve to exit the adsorbed component 5, they are retracted along the fixed guides 2, moving backward along the normal to the fixed partitions 9 in the direction of the container with adsorbent, and are pressed to the fixed partitions 9, fixed at the ends of the mesh cylindrical container filled with adsorbent 4, thereby a decrease in the internal volume of the column by the value of the volume of the column unfilled with adsorbent 6. A part of the volume of the column unfilled with adsorbent 6 is shaded in FIG. 2. As a result of the proposed design change, the load on the pump down pump is reduced and the efficiency of the adsorbent regeneration process is increased. The removal of the sorbed component occurs through the valve to exit the sorbed component 5.

Затем процесс циклически повторяется.Then the process is cyclically repeated.

Таким образом, в вертикальном адсорбер с переменным внутренним объемом, по сравнению с прототипом, в режиме десорбции объем колонны уменьшается, а в режиме адсорбции объем остается прежним.Thus, in a vertical adsorber with a variable internal volume, compared with the prototype, in the desorption mode, the column volume decreases, and in the adsorption mode the volume remains the same.

Claims

A vertical adsorber with a variable internal volume, consisting of a cylindrical housing with an upper and lower cover and a cylindrical mesh container located inside the housing filled with adsorbent, with inlet and outlet valves, characterized in that shutters are installed inside the adsorber between the housing covers and the tank filled with adsorbent in the form of a truncated cone with a reciprocating motion.