Композитный осушитель газов и жидкостей

 

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к осушителям газов и жидкостей. В качестве матрицы осушитель содержит вещество с открытой системой пор, а в качестве активного влагопоглощающего вещества - высокогигроскопичное вещество, способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора. Для этого используют галогениды, сульфаты, нитраты щелочных и щелочноземельных металлов и их смеси, а в качестве пористой матрицы - неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси. Пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде колец или блоков сотовой структуры. Изобретение позволяет создать эффективный композитный осушитель для газов и жидкостей. 5 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к осушителям газов и жидкостей, и может быть использовано для улучшения качества сырья и продуктов в химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, в криогенной технике, при сварочных работах, а также для глубокой осушки технологических газовых потоков, жидкостей, парогазовых смесей.

Для этих целей используют различные адсорбенты с развитой поверхностью, такие как силикагели, оксид алюминия, цеолиты, а также жидкие абсорбенты, например растворы солей, серную кислоту, этиленгликоль. К основным недостаткам перечисленных осушителей относятся либо невысокая динамическая и статическая сорбционная емкость, либо относительно высокая температура регенерации. Кроме того, применение жидкостных абсорбентов значительно усложняет технологическую схему осушительной установки.

Проблема создания эффективного осушителя, обладающего высокими сорбционной емкостью и механической прочностью, с одной стороны, и удобного в использовании, с другой, решается путем совмещения принципа объемного поглощения паров воды жидким осушителем и адсорбции на развитой поверхности. Данный принцип реализуется в импрегнированных осушителях [Авт. св. СССР N 406552, B 01 D 53/26, БИ 46, 21.11.73; авт. св. СССР N 566616, B 01 D 53/02, БИ 28, 30.07.77: авт. св. СССР N 1219122, B 01 D 53/26, БИ 11, 23.03.86; авт. св. СССР N 1452566, B 01 D 53/26, БИ 3, 23.01.89; авт. св. СССР N 1657218, B 01 D 53/26, БИ 23, 23.06.91; авт. св. СССР N 1657219, B 01 D 53/28, БИ 23, 23.06.91]. Такие осушители представляют собой композицию гигроскопичной соли (как правило, хлорида кальция или лития, либо бромида лития) и пористого носителя (как правило, силикагеля, оксида алюминия или пористого угля), применяемых в настоящее время, в основном, в фильтрующих элементах средств индивидуальной защиты.

Недостатками таких композитных систем являются: вытекание активного компонента из порового пространства матрицы, разрушение осушителя при регенерации, необходимость внесения в композицию дополнительного связующего и, в ряде случаев, необходимость проведения процесса пропитки при повышенной температуре и в несколько стадий. Вышеуказанные сложности вызваны, по видимому, как низкой механической прочностью используемых матриц, так и блокировкой значительной части порового пространства солью в силу неравномерного ее распределения, что приводит к вытеканию активного компонента.

Наиболее близким к предлагаемому композитному осушителю газов и жидкостей является импрегнированный формованный осушитель воздуха [Авт.св. СССР N 1620789, B 01 D 53/26,1991, содержащий пористую матрицу с открытой системой пор, и высокогигроскопические вещества.

Недостатком прототипа является невысокая динамическая емкость.

Это связано с блокировкой части порового пространства солью.

Изобретение решает задачу создания эффективного композитного осушителя для газов и жидкостей.

Задача решается путем создания композитного осушителя газов и жидкостей, состоящего из пористой матрицы и активного влагопоглощающего вещества, помещенного в поры матрицы.

В качестве матрицы он содержит вещество с открытой системой пор, а в качестве активного влагопоглощающего вещества - высокогигроскопичное вещество, способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора.

В качестве активного влагопоглощающего вещества используют растворы галогенидов, сульфатов, нитратов щелочных и щелочноземельных металлов и их смеси, а в качестве пористой матрицы - неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси.

Пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде колец или блоков сотовой структуры.

Количество активного влагопоглощающего раствора составляет не менее 5 мас.%.

Пористую матрицу предварительно подвергают термообработке при температуре от 150 до 900^oC в окислительной, восстановительной либо инертной атмосфере в течение 0.5 - 10 часов.

Регенерацию композитного осушителя производят нагреванием при температуре не ниже 100^oC.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 3 мм и длиной 5-7 мм, имеющий открытую систему микро-, мезо- и транспортных пор, прогревают в токе воздуха в течение 2 часов при температуре 200^oC. После охлаждения в поры оксида алюминия помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 20 мас.%. Полученный композитный осушитель помещают в адсорбер объемом 1 литр и регенерируют нагреванием до температуры 150^oC в токе воздуха в течение 5 часов. После охлаждения до комнатной температуры на вход адсорбера подают сжатый воздух, предварительно пропущенный через барботер, наполненный водой. Содержание влаги во входящем газе составляет 2.05 г/нм³, расход воздуха составляет 2 нм³/час. Процесс осушки газа прекращают после достижения выходящим воздухом влажности 100 ррм (объемных). Продолжительность цикла осушки составила 53.6 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги, определенное путем его взвешивания до и после эксперимента, составляет 220.1 г. Динамическая емкость композитного осушителя, определяемая как отношение массы поглощенной воды к массе сухого сорбента, составляет α_дин = 0,25 г/г. Пример 2. Аналогично примеру 1, регенерацию композитного осушителя проводят при температуре 120^oC. Продолжительность цикла осушки составляет 53.5 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 219.5 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составила 0.248 г/г.

Пример 3. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют, активный оксид алюминия в виде сфер диаметром 4-6 мм, предварительно прогретый в токе воздуха в течение 3 часов при температуре 250^oC. После охлаждения в поры оксида алюминия помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 10 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 51.4 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 210.7 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составила 0.24 г/г.

Пример 4. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют силикагель в виде сфер диаметром 2-6 мм, обладающий открытой системой мезопор, предварительно прогретый в токе воздуха при температуре 150^oC в течение 1.5 часа. После охлаждения в поры силикагеля помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 30 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 69.8 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 286.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составила 0.45 г/г.

Пример 5. Аналогично примеру 4, но в поры силикагеля помещают раствор бромида лития. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 27.2 мас. %. Продолжительность цикла осушки составляет 72.6 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 297.8 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.46 г/г.

Пример 6. Аналогично примеру 3, но в поры оксида алюминия помещают раствор сульфата натрия. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 17 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 48.7 час. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 199.8 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.21 г/г.

Пример 7. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного сорбента используют пористый углерод в виде сфер диаметром 1-3 мм, обладающий открытой, системой микропор и крупных пор, предварительно прогретый в атмосфере кислорода при температуре 290^oC в течение 5 часов. После охлаждения в поры углерода помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 23 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 44 часа. Количество поглощенной влаги составляет 180.2 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.19 г/г.

Пример 8. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют природную глину, обладающую открытой системой крупных пор, в виде блоков сотовой структуры, предварительно прогретую в инертной атмосфере при температуре 900^oC в течение 10 часов. После охлаждения до комнатной температуры в поры глины вносят раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 10.5 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 43.5 часа. Количество поглощенной влаги составляет 178.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.2 г/г.

Пример 9. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют пористый никель, обладающий открытой системой крупных пор, предварительно прогретый в токе водорода при температуре 210^oC в течение 0.5 часа. После охлаждения в поры никеля помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 5 мас. %. Продолжительность цикла осушки составляет 36.8 часа. Количество поглощенной влаги составляет 150.7 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.1 г/г.

Пример 10. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 5 мм и длиной 15 мм, а в качестве осушаемого газа используют метан. Продолжительность цикла осушки составляет 54.9 часа. Количество поглощенной влаги составляет 225.2 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.26 г/г.

Пример 11. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 2 мм и длиной 3-5 мм, в поры которого помещают раствор нитрата магния. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 19 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 49 часов. Количество поглощенной влаги составляет 201.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента α_дин составляет 0.24 г/г.

Пример 12.99 мл ацетонитрила марки ОСЧ (содержание воды не более 0.02%) смешивают с 1 мл дистиллированной воды. Содержание воды в смеси, определенное по методу Фишера, составляет 0.98±0.01%. В смесь помещают 10 г композитного осушителя приготовленного и регенерированного по методике примера 1 и перемешивают в течение 15 мин магнитной мешалкой в герметично закрытой колбе. После декантации ацетонитрила содержание воды в нем, определенное по методу Фишера, не превышает 0.04±0.01%.

Пример 13. Аналогично примеру 12, но в качестве осушаемой жидкости используют толуол. Количество воды в осушенном толуоле не превышает 0.035±0.005%.

Пример 14. 100 мл технического касторового масла с содержанием воды ок. 10% смешивают с 25 г композитного осушителя, приготовленного и регенерированного по методике примера 1, и перемешивают в течение 20 мин магнитной мешалкой в герметично закрытой колбе. После декантации масла содержание воды в нем, определенное по методике Кауфманна-Функе, составляет 0.1±0.01%.

Пример 15. Композитный осушитель в количестве 20 г, приготовленный и регенерированный по условиям примера 1, помещают в эксикатор, заполненный раствором серной кислоты с концентрацией 35 мас.%. Относительная влажность над раствором составляет 66 отн.%. Через 48 часов увеличение веса образца композитного осушителя составляет 11.2 г. Статическая влагоемкость осушителя, определяемая как отношение массы поглощенной сорбентом воды к сухому весу осушителя, α_стат составляет 0.56 г/г.

Пример 16. Композитный осушитель в количестве 18 г., приготовленный и регенерированный по условиям примера 4, помещают в эксикатор, заполненный раствором серной кислоты с концентрацией 35 мас.%. Относительная влажность над раствором составляет 66 отн.%. Через 48 часов увеличение веса образца осушителя составляет 12.4 г. Статическая влагоемкость осушителя α_стат составляет 0.69 г/г.

Примеры 17-20, где в качестве осушителей используют стандартные промышленные осушители, приведены для сравнения.

Пример 17. Аналогично примеру 1, но в качестве осушителя в адсорбер загружают активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 3 мм и длинной 5-7 мм, общий объем загрузки составляет 1 литр. Продолжительность цикла осушки составляет 18.3 часа. Количество поглощенной оксидом алюминия влаги составляет 75.1 г. Динамическая емкость окиси алюминия α_дин составляет 0.11 г/г.

Пример 18. Аналогично примеру 4, но в качестве осушителя в адсорбер загружают силикагель марки КСМ с размером зерен 2-4 мм, общий объем загрузки составляет 1 литр. Продолжительность цикла осушки составляет 38.9 часа. Количество поглощенной силикагелем влаги составляет 159.6 г. Динамическая емкость силикагеля α_дин составляет 0.19 г/г.

Пример 19. Аналогично примеру 12, но в качестве осушающего агента используют цеолит марки 4А в количестве 10.5 г., регенерированный при 400^oC в течение 8 часов. После декантации ацетонитрила содержание воды в нем составляет 0.08±0.01%.

Пример 20. Аналогично примеру 17, но в эксикатор с раствором серной кислоты помещают силикагель с размером гранул 2-4 мм в количестве 20 г. Через 72 часа увеличение веса образца силикагеля составляет 3.3 г. Статическая влагоемкость силикагеля α_стат составляет 0.165 г/г.

Как следует из примеров, предлагаемые композитные осушители, обладают более высокой динамической емкостью к водяным парам (до 0.46 г воды на 1 г осушителя), чем стандартные промышленные осушители и импрегнированные осушители (в авт. св. N 1452566 динамическая емкость не превышает 0.13 г воды на 1 г осушителя), обладают более высокой осушающей способностью в отношении жидкостей, более высокой статической влагоемкостью (в авт. св. N 1657218 статическая емкость не более 0.024 г/г), и способны регенерироваться при более низких температурах. Приведенные примеры демонстрируют преимущества предлагаемых композитных осушителей по сравнению с традиционными материалами и показывают возможность применения композитных осушителей для осушки газовых потоков, включая природный газ, для осушки неполярных жидкостей, в т. ч. органических растворителей и масел, для поддержания низкой влажности в закрытых объемах в статических условиях, в том числе в оконных блоках и других областях техники и производства.

Формула изобретения

1. Композитный осушитель газов и жидкостей, содержащий пористую матрицу с открытой системой пор, отличающийся тем, что композитный осушитель содержит активное влагопоглощающее высокогигроскопичное вещество, помещенное в поры матрицы и способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора, причем в качестве активного влагопоглощающего вещества используют растворы сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов, нитратов щелочных и щелочноземельных металлов, галогениды щелочных металлов, галогенид кальция, и их смеси.

2. Композитный осушитель газов и жидкостей по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористых матриц используют неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси.

3. Композитный осушитель газов и жидкостей по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде колец или блоков сотовой структуры.

4. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество активного влагопоглощающего раствора составляет не менее 5 мас.%.

5. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пористую матрицу предварительно подвергают термообработке при температуре 150 -900°С в окислительной, восстановительной либо инертной атмосфере в течение 0,5-10 ч.

6. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его регенерацию производят нагреванием при температуре не ниже 100°С.