Адсорбер непрерывного действия

 

Использование: для очистки и разделения многокомпонентных газовых смесей в движущемся слое адсорбента и в процессах извлечения ценных углеводородных компонентов или токсичных веществ из отходящих газов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Сущность изобретения: адсорбер непрерывного действия содержит корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка, устройство для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки, а также в корпусе дополнительно установлены вертикальные пластины, сопряженные боковыми и нижними кромками с корпусом, верхние кромки пластин расположены выше распределительной тарелки. Число вертикальных пластин на два меньше числа фракций, на которые разделяется сырье, а расстояние по высоте между верхними кромками рядом расположенных вертикальных пластин не меньше длины зоны массопередачи для фракции, преимущественно отводимой с адсорбентом в пространство между этими вертикальными пластинами, расстояние между пластинами не превышает величины L, определяемой по выражению L= G/(D·V), где G - объемный расход адсорбента, поступающего в пространство между пластинами, V - скорость движения адсорбента, D - диаметр адсорбера. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

Изобретение относится к конструкциям адсорберов для очистки и разделения многокомпонентых газовых смесей в движущемся слое адсорбента и может быть использовано в процессах извлечения ценных углеводородных компонентов или токсичных веществ из отходящих газов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Известен аппарат для адсорбционного разделения многокомпонентных смесей, включающий корпус с штуцерами для ввода сырья и вывода очищенного продукта, внутри которого размещены адсорбционная секция, устройство для ввода и вывода адсорбента [1] Недостатком аппарата является невозможность выделения из адсорбента сорбированных веществ и для решения этой задачи необходимо использовать адсорбер в комплексе с десорбером и фракционирующей газы десорбции установкой.

Известен также адсорбер непрерывного действия, включающий корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцером ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента [2] Недостатками аппарата являются недостаточная чистота выводимых фракций, загрязняемых компонентами соседних фракций, и значительные энергетические затраты на проведение стадии десорбции.

Цель изобретения одновременное повышение качества разделения сырья на фракции и снижение энергетических затрат на проведение стадии десорбции без изменения размеров адсорбера.

Поставленная цель достигается тем, что в адсорбере непрерывного действия, включающем корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцером ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, дополнительно в корпусе установлены вертикальные пластины, сопряженные боковыми и нижними кромками с корпусом, причем верхние кромки пластин расположены выше распределительной тарелки. Установка подобной пластины разделяет поток частично отработанного в адсорбционной секции адсорбента на два потока, один из которых продолжает взаимодействовать с потоком очищаемого газа, а второй поток сразу выводится в соответствующую хроматографическую секцию, что позволяет отводить из нижней части хроматографической секции более чистую фракцию за счет увеличения числа ступеней адсорбции в хроматографической секции. В любой хроматографической секции в рассматриваемом адсорбере при выделении любой фракции число ступеней адсорбции при выделении из сырья n фракций более чем в n раз превышает число ступеней адсорбции, приходящихся в среднем на одну выделяемую фракцию в прототипе [2] Кроме того, в адсорбере снижаются энергетические затраты на проведение стадии десорбции, так как в каждой из хроматографических секций поддерживается индивидуальный оптимальный температурный режим, при этом лишь часть адсорбента, проходящая через хроматографическую секцию, в которой происходит выделение наиболее прочно удерживаемого адсорбента, нагревается до максимальной температуры стадии десорбции, а в остальных хроматографических секциях поддерживается температура ниже максимальной.

При разделении сырья на несколько фракций число вертикальных пластин на два меньше числа фракций.

Целесообразно, чтобы расстояние по высоте между верхними кромками рядом расположенных вертикальных пластин было не меньше длины зоны массопередачи для фракции, преимущественно отводимой с адсорбентом в пространство между этими вертикальными пластинами, а расстояние между пластинами не превышало величины L, определяемой по выражению L=G/(D·V), где G объемный расход адсорбента, поступающего в пространство между пластинами, V скорость движения адсорбента, D диаметр адсорбера.

На фиг. 1 изображен предлагаемый адсорбер для разделения сырья на три фракции, продольный разрез; на фиг. 2 предлагаемый адсорбер для разделения сырья на четыре фракции, продольный разрез; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 схема потоков для прототипа (а) и рассчитываемого адсорбера (б) (на схемах потоков в адсорберах цифрами показаны номера ступеней адсорбции).

Адсорбер содержит корпус 1, в котором размещены адсорбционная секция 2 и хроматографические секции 3 (3, 3', 3'' и т.д. в зависимости от числа хроматографических секций), разделенные вертикальными пластинами 4. Между адсорбционной и первой хроматографической секциями располагается распределительная тарелка 5 со штуцером ввода исходного сырья 6. В верхней части корпуса 1 расположена аккумулирующая тарелка 7 со штуцером 8 для вывода очищенного газа, в нижней части каждой хроматографической секции расположена аккумулирующая тарелка 9 со штуцером 10 для вывода выделенных фракций. Хроматографические секции включают змеевики 11 для подачи теплоносителя. Корпус адсорбера снабжен устройствами 12 и 13 для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента и колосниковыми тарелками 14 для выравнивания структуры потока по высоте секций адсорбера.

Адсорбер работает следующим образом (применительно к фиг. 1).

Адсорбент через устройство 12 вводится в корпус 1 и вступает в противоточный контакт с сырьем, содержащим, например, три компонента, вводимым через штуцер 6 и распределительную тарелку 5, при этом в адсорбент из сырьевого потока переходят наиболее адсорбируемые компоненты (например, второй и третий). В том месте адсорбционной секции 2, где концентрация извлекаемых компонентов в адсорбенте наиболее существенно различается между собой, происходит разделение потока адсорбента на два потока при помощи вертикальной пластины 4, при этом часть потока адсорбента направляется в хроматографическую секцию 3, в которой происходит концентрирование второго компонента в потоке газа за счет подвода тепла в теплообменные устройства 11. Вторая часть потока адсорбента продолжает оставаться в адсорбционной секции и контактирует с исходным сырьем, обогащаясь преимущественно третьим компонентом, а затем переходит в самостоятельную хроматографическую секцию 3', в которой происходит концентрирование третьего компонента в потоке газа за счет подвода тепла в теплообменные устройства 11. Выделившиеся в хроматографических секциях 3 и 3' соответственно фракции, содержащие преимущественно второй и третий компоненты, отводятся через аккумулирующие тарелки 9 со штуцерами 10. Неадсорбированные компоненты выводятся через аккумулирующую тарелку 7 со штуцером 8 и формируют фракцию, содержащую преимущественно первый компонент. Отработавший адсорбент выводится из корпуса 1 через устройство 13.

Преимущества заявляемого изобретения подтверждаются расчетными примерами по разделению 100 т/ч трехкомпонентной смеси с относительной летучестью компонентов 1200, 11,2 и 1 на три фракции, обогащенные соответственно первым, вторым и третьим компонентами в адсорбере непрерывного действия, содержащем 11 ступеней адсорбции.

Пример 1. Адсорбер имеет корпус, разделенный вертикальной пластиной, благодаря чему число ступеней адсорбции возрастает с 11 до 19 (фиг. 4,б) без изменения размеров адсорбера. Первая фракция выводится сверху адсорбера с первой ступени адсорбции, а вторая и третья фракции соответственно с 11 и 19 ступеней хроматографических секций 3 и 3'. Суммарные потоки в сечении адсорбера по обе стороны вертикальной пластины совпадают с прототипом (табл. 1). Получены три фракции приемлемой чистоты: содержание первого, второго и третьего компонентов соответственно в первой, второй и третьей фракциях составляет 99,98, 98,37 и 99,75% (табл. 2).

Пример 2. Адсорбер по прототипу с 11 ступенями адсорбции (фиг. 4,а). Первая фракция выводится сверху адсорбера с первой ступени адсорбции, а вторая и третья фракции соответственно с 8 и 11 ступеней адсорбции хроматографической секции; содержание первого, второго и третьего компонентов соответственно в первой, второй и третьей фракциях составляет 99,84, 90,81 и 93,93% Пример 3. Для десорбции адсорбента в хроматографических секциях адсорбера (фиг. 4,б) температура в секции 3 ниже, чем в секции 3', поскольку десорбция второго компонента, более летучего по сравнению с третьим, требует меньших энергозатрат. При температурах в нижней части хроматографических секций 3 и 3' соответственно 300 и 400^oC и теплоемкости сорбента 1 кДж/кг суммарный теплоподвод в заявляемый адсорбер составляют 3,57·10⁷ кДж/ч при общем расходе адсорбента 100 т/ч.

Пример 4. Для десорбции третьего компонента в хроматографической секции адсорбера по прототипу (фиг. 4,а) необходимо обеспечить нагрев всей массы адсорбента (100 т/ч) до 400^oC, что требует подвести 4·10⁷ кДж/ч тепловой энергии.

Сопоставление примеров 1 и 2 показывает, что заявляемое изобретение позволяет значительно улучшить качество разделения в адсорбере, особенно в хроматографических секциях содержание целевых компонентов в отводимых фракциях возрастает на 5-7% по сравнению с прототипом. Сопоставление примеров 3 и 4 показывает, что заявляемое изобретение позволяет уменьшить энергозатраты на проведение адсорбционно-десорбционного процесса до 10,7% по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Адсорбер непрерывного действия, включающий корпус с адсорбционной и хроматографической секциями, внутри которого размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцером ввода исходного сырья, устройство для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройства для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, отличающийся тем, что в корпусе дополнительно установлены вертикальные пластины, сопряженные боковыми и нижними кромками с корпусом, причем верхние кромки пластин расположены выше распределительной тарелки.

2. Адсорбер по п. 1, отличающийся тем, что число вертикальных пластин на два меньше числа фракций, на которые разделяется сырье.

3. Адсорбер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что расстояние по высоте между верхними кромками рядом расположенных вертикальных пластин не меньше длины зоны массопередачи для фракции, преимущественно отводимой с адсорбентом в пространство между этими вертикальными пластинами.

4. Адсорбер по пп. 1 3, отличающийся тем, что расстояние между пластинами не превышает величины L, определяемой по выражению L G / (D x v), где G объемный расход адсорбента, поступающего в пространство между пластинами; v скорость движения адсорбента; D диаметр адсорбера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5