(12)

OPIS PATENTOWY

(19)

PL

(11)

202307

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urz

ąd Patentowy

Rzeczypospolitej Polskiej

(21) Numer zg

łoszenia:

363819

(22) Data zg

łoszenia:

01.12.2003

(13)

B1

(51) Int.Cl.
B01D 53/02 (2006.01)
B01J 8/24 (2006.01)

(54)

Sposób prowadzenia procesu adsorpcyjnego w z

łożu stałym z ograniczoną fluidyzacją

(43) Zg

łoszenie ogłoszono:

13.06.2005 BUP 12/05

(45) O udzieleniu patentu og

łoszono:

30.06.2009 WUP 06/09

(73) Uprawniony z patentu:

Akademia Górniczo-Hutnicza
im. St. Staszica, Kraków, PL

(72) Twórca(y) wynalazku:

Bronis

ław Buczek, Kraków, PL

Piotr Zabierowski, Kraków, PL

(74) Pe

łnomocnik:

Posto

łek Elżbieta,

Akademia Górniczo-Hutnicza

(57)

PL 202307 B1

Sposób prowadzenia procesu adsorpcyjnego w z

łożu stałym z ograniczoną fluidyzacją, polegający

na przepuszczaniu mieszaniny gazów z do

łu do góry przez co najmniej jedną kolumnę wypełnioną

z

łożem z ograniczoną fluidyzacją, znamienny tym, że złoże składa się z gruboziarnistych elementów

upakowanego adsorbentu oraz fluidyzuj

ących w jego przestrzeniach międzyziarnowych drobnych

cz

ąstek inertnego ciała stałego, przy czym stosunek średnicy drobnych cząstek fazy fluidalnej do

średnicy adsorbentu jest mniejszy od 0,096, a porowatość fazy fluidalnej wynosi od 0,7 do 1,0 m

3

/m

3

.

PL 202 307 B1

2

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia procesu adsorpcyjnego w z

łożu stałym

z ograniczon

ą fluidyzacją, znajdujący zastosowanie głównie do osuszania gazów przemysłowych.

Obecno

ść pary wodnej w strumieniach technologicznych instalacji przemysłowych lub zamknię-

tych przestrzeniach zbiorników obni

ża kaloryczność gazów, tworzy korki lodowe, zakłóca warunki

technologiczne i prac

ę przyrządów kontrolno-pomiarowych. Z tego względu większość gazów przemy-

s

łowych poddaje się osuszaniu. Gazy przemysłowe, transportowane na znaczne odległości, zawiera-

j

ące wodę w postaci kropel o dużych rozmiarach najpierw poddaje się niskotemperaturowej separacji,

usuwaj

ącej większość wilgoci, a następnie glikolowej absorpcji.

Znane dynamiczne sposoby adsorpcyjnego usuwania niepo

żądanych składników z gazów

przemys

łowych polegają na tym, że gazy przepuszcza się przez co najmniej jedną kolumnę adsorp-

cyjn

ą, zawierającą warstwę złoża stałego, ruchomego lub fluidalnego. Jako adsorbenty stosuje się

mi

ędzy innymi: żel kwasu krzemowego, aktywny tlenek glinu, aktywowany boksyt, zeolity oraz sita

molekularne. W przypadku z

łoża stałego gaz pozbawiany jest niepożądanych składników podczas

przep

ływu przez przestrzeń międzyziarnową nieruchomych, upakowanych ziaren adsorbentu, przy

stosowaniu z

łoża ruchomego adsorpcja następuje podczas przeciwprądowego przepływu gazu przez

poruszaj

ącą się warstwę upakowanych ziaren adsorbentu, natomiast stosując złoże fluidalne, drobne

cz

ąstki adsorbentu pochłaniają adsorbowane składniki w warstwie rozluźnionej przez przepływający

gaz, generuj

ący fazę fluidalną.

Stosowanie adsorpcji do osuszania i odgazolinowania gazu ziemnego ujawniono w opisach

US 3477206 i 3514396. Adsorpcj

ę prowadzi się w pionowym adsorberze ze złożem stałym, które sta-

nowi

żel kwasu krzemowego lub węgiel aktywny. Firma Westvako opracowała ciągły proces oczysz-

czania od SO

2

gazów odlotowych z elektrociep

łowni i pieca dopalania instalacji Clausa w złożu fluidal-

nym w

ęgla aktywnego. Zanieczyszczony gaz ochładza się do temperatury 120°C, a następnie wpro-

wadza cz

ęściowo do stref adsorpcji i odparowania.

Znane s

ą procesy, wykorzystujące złoże dwuskładnikowe zwane także złożem z ograniczoną

fluidyzacj

ą, stanowiące połączenie złoża stałego i fluidalnego.

Zosta

ło to ujawnione w artykule Roes A.W.M., Van Swaaij W.P.M., Chem. Eng. Jour., 18, 29,

(1979). Proces adsorpcji oraz desorpcji freonu - 12 prowadzono w dwóch aparatach o jednakowej
konstrukcji, pomi

ędzy którymi krążyły drobne cząstki adsorbentu glinokrzemianowego o średnicy

0,3-0,045 mm w przeciwpr

ądzie do strumienia gazu. Cząstki adsorbentu fluidyzowały w wolnych prze-

strzeniach wype

łnionych pierścieniami Pall

′a, przy czym w pierwszym z aparatów pochłaniały freon - 12,

a w drugim uwalnia

ły go w strumieniu gazu regeneracyjnego. W polskim opisie patentowym nr 162 299

opisano sposób termicznego rozk

ładu hydratów soli, polegający na tym, że złoże elementów stałego

no

śnika ciepła przemieszczające się grawitacyjnie przez strefę kalcynacji i odwadniania kontaktuje się

bezprzeponowo w przeciwpr

ądzie z przemieszczającą się w wolnych przestrzeniach złoża fazą flu-

idaln

ą generowaną w strefie odwadniania strumieniem gazu z cząstek surowej soli lub mieszaniny

soli odwadnianej, ewentualnie transportowanych pneumatycznie, a w strefie kalcynacji z cz

ąstek

soli lub mieszaniny soli bezwodnej ewentualnie transportowanych pneumatycznie. Odwadnianie
surowej soli lub mieszaniny soli prowadzi si

ę na drodze bezpośredniego przekazywania ciepła

w strefie odwadniania przez elementy sta

łego nośnika ciepła ogrzane uprzednio bezprzeponowo

w strefie kalcynacji.

Istot

ą sposobu prowadzenia procesu adsorpcyjnego w złożu stałym z ograniczoną fluidyzacją,

polegaj

ącego na przepuszczaniu mieszaniny gazów z dołu do góry przez co najmniej jedną kolumnę

wype

łnioną złożem z ograniczoną fluidyzacją, charakteryzuje się tym, że złoże składa się z gruboziar-

nistych elementów upakowanego adsorbentu oraz fluidyzuj

ących w jego przestrzeniach międzyziar-

nowych drobnych cz

ąstek inertnego ciała stałego, przy czym stosunek średnicy drobnych cząstek fazy

fluidalnej do

średnicy adsorbentu jest mniejszy od 0,096, a porowatość fazy fluidalnej wynosi od 0,7

do 1,0 m

3

/m

3

.

Du

że cząstki adsorbentu z uwagi na swoje selektywne właściwości adsorpcyjne pochłaniają

wybrane sk

ładniki, a drobne cząstki fluidyzujące w ich przestrzeniach międzyziarnowych intensyfikują

wymian

ę masy i ciepła w układzie adsorbent - gaz oraz wymianę ciepła w układzie gruboziarnisty

adsorbent - fluidyzuj

ące drobne cząstki - gaz - zewnętrzne ściany kolumny.

Zalet

ą sposobu, według wynalazku, jest to, że fluidyzujące drobne cząstki powodują ujednolice-

nie temperatur w osi i promieniu warstwy gruboziarnistego adsorbentu, przez co proces adsorpcji

PL 202 307 B1

3

przebiega w warunkach zbli

żonych do izotermicznych. Ponadto zastosowanie złoża z ograniczoną

fluidyzacj

ą pozwala na wydłużenie jego czasu pracy oraz na zmniejszenie udziału nawet o 10% masy

gruboziarnistego adsorbentu.

P r z y k

ł a d I

Kolumn

ę adsorpcyjną wypełniono złożem stałym z ograniczoną fluidyzacją składającym się

z gruboziarnistych cz

ąstek adsorbentu, który stanowi szerokoporowaty żel kwasu krzemowego

o

średnicy ziaren 3,6 mm oraz cząstek inertnego ciała stałego w postaci szklanych kulek o średni-

cy 88

μm. Przez kolumnę od dołu do góry przepuszczano z prędkością 0,185 m/s osuszany gaz,

zawieraj

ący parę wodną o stężeniu na wejściu 0,403% masowych. Drobne cząstki zfluidyzowane

w strumieniu gazu wype

łniają wolne przestrzenie pomiędzy grubymi ziarnami wzdłuż całej wyso-

ko

ści nieruchomego złoża adsorbentu i zajmują w nim 8% wolnej przestrzeni, zatem porowatość

fazy fluidalnej wynosi 0,92 m

3

/m

3

.

Podczas procesu adsorpcji, przebiegaj

ącego z wydzielaniem się ciepła, fluidyzujące drobno-

ziarniste szklane kulki kontaktuj

ąc się z gruboziarnistym adsorbentem odbierają od nich ciepło, które

przekazuj

ą do przepływającego przez złoże gazu, co powoduje obniżenie średniej temperatury złoża

i jej wyrównanie w jego ca

łej wysokości. Wymiana masy następuje w układzie gaz - adsorbent, a wy-

miana ciep

ła w układzie gruboziarnisty adsorbent - fluidyzujące drobne cząstki - gaz - zewnętrzne

ściany kolumny.

Czas, w którym za kolumn

ą adsorpcyjną w złożu adsorbentu z ograniczoną fluidyzacją odbiera-

no osuszony gaz o st

ężeniu nie przekraczającym 0,020% masowych wynosi 1660 sekund, a minimal-

na masa adsorbentu, umo

żliwiająca usuwanie pary wodnej wynosi 0,739 kg.

Dla porównania par

ę wodną usuwano również w kolumnie adsorpcyjnej wypełnionej złożem

sta

łym, składającym się z gruboziarnistych cząstek adsorbentu, który tanowi szerokoporowaty żel

kwasu krzemowego o

średnicy ziaren 3,6 mm. Przez kolumnę od dołu do góry przepuszczano z pręd-

ko

ścią 0,185 m/s osuszany gaz, zawierający parę wodną o stężeniu na wejściu 0,403% masowych.

Wymiana masy nast

ępuje w układzie gaz - adsorbent, a wymiana ciepła w układzie gruboziarnisty

adsorbent - gaz - zewn

ętrzne ściany kolumny.

Czas, w którym za kolumn

ą adsorpcyjną w złożu stałym adsorbentu odbierano suszony gaz

o st

ężeniu nieprzekraczającym 0,020% masowych na wejściu do złoża, wynosi 1500 sekund, a mini-

malna masa adsorbentu, umo

żliwiająca usuwanie pary wodnej wynosi 0,789 kg.

P r z y k

ł a d II

Kolumn

ę adsorpcyjną wypełniono złożem z ograniczoną fluidyzacją składającym się z grubo-

ziarnistych cz

ąstek adsorbentu, który stanowi sito molekularne typu 4 A o średnicy ziaren 3,6 mm oraz

cz

ąstek inertnego ciała stałego w postaci szklanych kulek o średnicy 125

μm. Przez kolumnę od dołu

do góry przepuszczano z pr

ędkością 0,281 m/s osuszany gaz, zawierający parę wodną o stężeniu na

wej

ściu 1,230% masowych. Drobne cząstki zfluidyzowane w strumieniu gazu wypełniają wolne prze-

strzenie pomi

ędzy grubymi ziarnami wzdłuż całej wysokości nieruchomego złoża adsorbentu i zajmują

w nim 1% wolnej przestrzeni, zatem porowato

ść fazy fluidalnej wynosi 0,99 m

3

/m

3

.

Podczas egzotermicznego procesu adsorpcji fluidyzuj

ące drobnoziarniste szklane kulki kontak-

tuj

ąc się z gruboziarnistym adsorbentem odbierają od nich ciepło, które przekazują do przepływające-

go przez z

łoże gazu, co powoduje obniżenie średniej temperatury złoża i jej wyrównanie w jego całej

wysoko

ści. Wymiana masy następuje w układzie gaz - adsorbent, a wymiana ciepła w układzie grubo-

ziarnisty adsorbent - fluidyzuj

ące drobne cząstki - gaz - zewnętrzne ściany kolumny.

Czas, w którym za kolumn

ą adsorpcyjną w złożu adsorbentu z ograniczoną fluidyzacją odbiera-

no osuszony gaz o st

ężeniu nieprzekraczającym 0,062% masowych wynosi 15618 sekund, a mini-

malna masa adsorbentu, umo

żliwiająca usuwanie pary wodnej wynosi 0,311 kg.

Dla porównania par

ę wodną usuwano również w kolumnie adsorpcyjnej wypełnionej złożem sta-

łym, składającym się z gruboziarnistych cząstek adsorbentu, który stanowi sito molekularne typu 4A
o

średnicy ziaren 3,6 mm. Przez kolumnę od dołu do góry przepuszczano z prędkością 0,281 m/s

osuszany gaz, zawieraj

ący parę wodną o stężeniu na wejściu 1,230% masowych. Wymiana masy

nast

ępuje w układzie gaz - adsorbent, a wymiana ciepła w układzie gruboziarnisty adsorbent - gaz -

- zewn

ętrzne ściany kolumny.

Czas, w którym za kolumn

ą adsorpcyjną w złożu stałym adsorbentu odbierano osuszony gaz

o st

ężeniu nieprzekraczającym 0,062% masowych wynosi 15036 sekund a minimalna masa adsor-

bentu, umo

żliwiająca usuwanie pary wodnej wynosi 0,384 kg.

PL 202 307 B1

4

Zastrze

żenie patentowe

Sposób prowadzenia procesu adsorpcyjnego w z

łożu stałym z ograniczoną fluidyzacją, polega-

j

ący na przepuszczaniu mieszaniny gazów z dołu do góry przez co najmniej jedną kolumnę wypełnio-

n

ą złożem z ograniczoną fluidyzacją, znamienny tym, że złoże składa się z gruboziarnistych elemen-

tów upakowanego adsorbentu oraz fluidyzuj

ących w jego przestrzeniach międzyziarnowych drobnych

cz

ąstek inertnego ciała stałego, przy czym stosunek średnicy drobnych cząstek fazy fluidalnej do

średnicy adsorbentu jest mniejszy od 0,096, a porowatość fazy fluidalnej wynosi od 0,7 do 1,0 m

3

/m

3

.

Departament Wydawnictw UP RP

Cena 2,00 z

ł.