專利名稱：串聯(lián)式單床層徑向吸附塔的制作方法
串聯(lián)式單床層徑向吸附塔本發(fā)明涉及應用串聯(lián)放置的吸附塔/吸附器組來凈化原料氣體流、尤其是含水和二氧化碳的空氣流的吸附方法。該方法一般是在低溫蒸餾分離過程之前。已知的是，大氣空氣包含在所述空氣被引入空氣分離單元的冷箱的熱交換器之前必需除去的化合物，尤其是主要化合物二氧化碳(CO2)和水蒸汽(H2O)以及所謂的次級雜質(zhì)例如氮氧化合物和/或碳氫化合物。實際上，在沒有這種對空氣的預處理以從中去除它的雜質(zhì)尤其是CO2和水的情況下，當空氣被冷卻到通常等于或低于約-150°C的低溫時，這些雜質(zhì)將固化成冰，這可能造成設備尤其是熱交換器和蒸餾塔堵塞的問題。類似地，次級雜質(zhì)(NxOy和CnHm)如果在凈化時不在冷箱的頂部處被大部分阻止，則它們將聚集在低壓蒸餾塔的再沸器內(nèi)并可能損壞該熱交換器。術語NxOy應理解為意指氮氧化合物，術語CnHm應理解為意指碳氫化合物。目前，根據(jù)具體情況通過TSA (變溫吸附)或PSA (變壓吸附)法實施空氣的預處理。術語PSA這里涉及真實PSA法、VSA (變真空吸附)法和VPSA法及諸如此類。本發(fā)明應用于采用徑向吸附塔的各種方法和設備，尤其是以TSA方式運行(也就是說以變溫運行)的方法和設備。通常，用于空氣凈化的TSA方法循環(huán)包括以下步驟a)通過在超級大氣壓和環(huán)境溫度下吸附雜質(zhì)來凈化空氣；b)將吸附塔減壓至大氣壓；c)在大氣壓下尤其通過廢氣來再生吸附劑，該廢氣通常是來自空氣分離單元并用一個或多個熱交換器加熱到通常100-250°C的溫度的不純氮氣；d)尤其是通過將空氣持續(xù)引入所述來自空氣分離單元的廢氣但不加熱來將吸附劑冷卻至環(huán)境溫度；和e)用例如來自處于生產(chǎn)階段的另一吸附塔的經(jīng)過凈化的空氣對吸附塔再加壓。一般地，空氣預處理裝置包括兩個交替運行的吸附塔，也就是說，其中一個吸附塔處于生產(chǎn)階段而另一個吸附塔處于再生階段。生產(chǎn)階段對應于通過吸附雜質(zhì)來凈化氣體混合物。再生階段對應于通過用加熱到例如100°C -250°C溫度的廢氣加熱吸附劑，來脫附在吸附步驟期間留在吸附劑上的雜質(zhì)。該階段尤其包括減壓、加熱、冷卻和再加壓步驟。通常在再生階段的開始或結(jié)束時，添加使兩個吸附塔并聯(lián)的步驟，該步驟具有較長持續(xù)時間，例如在幾秒到幾分鐘的范圍內(nèi)。這種TSA空氣凈化法尤其在文獻 US-A-3738084 和 FR-A-7725845 中有所說明。當待凈化的量變得很大時，已知使用文獻US-A-4M1851或EP-A-1638669中所教導的徑向吸附塔。徑向吸附塔使得能夠以可靠和重復的方式通過吸附來凈化大量流體尤其是大氣空氣，同時仍保持被處理流體的良好分布以及適合所用的吸附劑顆粒的機械性能的流體流速。徑向吸附塔的操作在

圖1中示出。待凈化或分離的流體1在徑向吸附塔10的底部處進入，流過吸附劑主體20且產(chǎn)物在頂部2處離開。在再生期間，再生流體3經(jīng)由頂部逆流式進入并解除吸附包含在吸附劑主體20中的雜質(zhì)，而廢氣40在底部處離開。吸附塔10本身由圓筒形殼體組成，該殼體具有垂直軸線AA和兩個端壁。吸附劑主體通過緊固到上端壁的穿孔外部格柵11和類似的穿孔內(nèi)部格柵12以及通過在底部處的非穿孔板13被保持就位。氣體1在圓筒形殼體和外部格柵之間的外部自由區(qū)域14中在周邊上垂直地流動，沿徑向通過吸附劑主體20，然后在內(nèi)部自由區(qū)域15中垂直地流動，然后經(jīng)由頂部離開吸附塔。再生以相反的方式實施。為了去除空氣中的CO2和水，一般使用并聯(lián)的吸附塔，每個吸附塔都包括兩個床層-第一活性氧化鋁或硅膠床層，在該第一床層上優(yōu)先吸附水；和-第二分子篩床層，在該第二床層上優(yōu)先吸附C02。因此，每個吸附塔都包括三個格柵。然而，由于機械構造原因，這三個格柵的使用限制了吸附塔的高度。具體地說，這些徑向吸附塔的直徑可以達到6米或7米的范圍，但是經(jīng)常由于運輸?shù)脑颍袝r不能達到這些尺寸。對于固定式吸附塔的直徑來說，由于這三個格柵的裝配，不是總能夠增加吸附塔的高度以便增加其容量。裝配可以水平地進行， 從內(nèi)部格柵開始同心地按順序插入格柵。每個格柵的端部都依次緊固到端壁上，另一端自由以便能將下一個格柵插入其中。與第一裝配好的格柵——亦即也是最柔性格柵的內(nèi)部格柵——的水平線的任何偏差都必須不超過一定長度，以使得中間格柵能夠從中通過。除了機械構造問題之外，使用具有太大尺寸的徑向吸附塔時，由于沿這些床層 (在外部分布空間中)的大的流量梯度，因此可能導致床層中的差的氣體分布。此外，如果考慮到含大量水的氣體，即在低壓和在高溫下飽和的氣體，則所需氧化鋁的量將很大而分子篩的量相對于所述氧化鋁的量將很小。這種分子篩/氧化鋁的不成比例將加重建造所述徑向吸附塔的困難，因為內(nèi)部格柵和中間格柵的直徑將類似，由此進一步限制了吸附塔的最大高度。另外，在內(nèi)部格柵和中間格柵靠近在一起的這種情況下，由于各個格柵的非理想的特性和各種變形，將難以保證分子篩床層的均勻厚度，這可能導致在分子篩厚度較小的區(qū)域中產(chǎn)生優(yōu)先通道。對于上述限制，已經(jīng)設想了幾種解決方案，同時還能夠處理單獨一對3格柵吸附塔不能處理的產(chǎn)量。這些解決方案在文獻W02008/078028中有所說明，包括添加并聯(lián)的徑向吸附塔、使用各處理一半產(chǎn)量的三個瓶罐、或者安裝兩對并聯(lián)的吸附塔。以待處理的產(chǎn)量由6巴壓力下的800，OOONmVh空氣表示為例，使用兩個3格柵吸附塔不能處理這一產(chǎn)量?？梢赃x擇例如安裝兩個單元，該兩個單元各自包括兩個3格柵吸附塔，它們各處理所述產(chǎn)量的一半。還必需設置流量控制系統(tǒng)，以保證空氣流在兩個單元之間清楚地分成兩個氣流(在具有控制閥的空氣入口上的流量計，在再生氣體中具有同樣的流量計)，因而產(chǎn)生額外的壓降。還應該注意，兩個單元各自必需設置它自己的操作閥和它自己的再生加熱器。從這種情況出發(fā)，產(chǎn)生的一個問題是如何為凈化氣體流提供簡化的和改善的方法，凈化氣體流的目的是從中去除水和二氧化碳。本發(fā)明的一個解決方案是一種用于凈化原料氣體流的方法，該原料氣體流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)、以及所謂的次級雜質(zhì)，在該方法中
a)將原料氣體流引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該徑向吸附塔包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層，H2O被優(yōu)先吸附于該床層上；b)將從步驟a)得到的氣體引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該徑向吸附塔包含作為單吸附床層的分子篩床層，CO2和次級雜質(zhì)被優(yōu)先吸附于該分子篩床層上；和c)重新收取從步驟b)得到的富含主要成分的氣體，該氣體能夠經(jīng)受低溫蒸餾。術語“次級雜質(zhì)”應理解為意指氮氧化合物和碳氫化合物。這里所提出的發(fā)明部分是基于省略中間格柵，這意味著每個瓶罐使用單個吸附齊U。在沒有中間格柵的情況下，則將吸附塔稱為“2格柵”或單床層吸附塔，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單和成本更低廉的構造，從而能夠增加吸附塔的尺寸并因此增加吸附塔所能處理的空氣產(chǎn)量，并且還解決了與分子篩床層的厚度均勻性有關的任何問題。根據(jù)情況，本發(fā)明的方法可以具有一下特征中的一個或多個-步驟b)中的分子篩是X型沸石；-在步驟b)中所應用的吸附塔的尺寸小于或等于步驟a)中所應用的吸附塔的尺寸，二者比率在0.4和1之間；-每個吸附塔都經(jīng)受壓力/溫度循環(huán)，在步驟a)中所應用的一個或多個吸附塔的循環(huán)持續(xù)時間是在90分鐘和600分鐘之間，而在步驟b)中所應用的一個或多個吸附塔的循環(huán)持續(xù)時間小于或等于在步驟a)中所應用的循環(huán)持續(xù)時間，二者比率在0. 4和1之間， 優(yōu)選地在0. 5和0. 8之間；-所處理的原料氣體流的小時摩爾流量是在100，OOONmVh和1，000,OOONmVh之間；-在步驟b)中，次級雜質(zhì)以在30%和100%之間的、優(yōu)選地在60%和100%之間的
停止系數(shù)被停止；-在步驟a)中，應用含有作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層并交替操作的兩個2格柵徑向吸附塔(亦即，其中一個吸附塔處于再生階段而另一個吸附塔處于生產(chǎn)階段，反之亦然)，和/或在步驟b)中，應用含有作為單吸附床層的分子篩床層并交替操作的兩個2格柵徑向吸附塔；-在步驟a)中，應用N對含有作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層的2格柵徑向吸附塔，其中特定的一對吸附塔交替操作，并且所述N對吸附塔并行地遵循相同的壓力循環(huán)，和/或在步驟b)中，應用N’對含有作為單吸附床層的分子篩床層的2格柵徑向吸附塔，其中特定的一對吸附塔交替操作，并且所述N’對吸附塔并行地遵循相同的壓力循環(huán)， 所述N彡1，N，彡1 ；-所處理的原料氣體流的小時摩爾流量是在100，OOONmVh和3，000,OOONmVh之間；-在步驟a)中所應用的吸附塔利用通過第一加熱器加熱的再生氣體定期地再生， 在步驟b)中所應用的吸附塔利用通過第二加熱器加熱的再生氣體定期地再生；-在步驟a)和b)中所應用的吸收塔利用通過單獨一個加熱器加熱的再生氣體定期地再生；以及-所述原料氣體是空氣，所述主要成分是氧。優(yōu)選地，每個吸附塔的直徑為大于4. 5m，可能達到7米。
此外，原料氣體流的壓力優(yōu)選地在1巴和35巴絕對壓力之間。次級雜質(zhì)停止系數(shù)被定義為進入凈化階段的次級雜質(zhì)在循環(huán)期間被保留在吸附塔中的百分率。根據(jù)吸附劑和所述雜質(zhì)的類型，在循環(huán)期間在凈化階段被停止的次級雜質(zhì)的含量在30%到100%之間。當具有大禮帽(cdneau/top-hat)輪廓的雜質(zhì)進入吸附床層時，雜質(zhì)的平均轉(zhuǎn)換時間與床層的吸附能力直接相關聯(lián)，而大禮帽前鋒的變形與動力學、熱效應或所述吸附塔中可能存在的分散效應相關聯(lián)。因此在所述床層中可以區(qū)分出三個區(qū)域(圖幻其中每克吸附劑所吸附的量達到最大的雜質(zhì)飽和區(qū)域3-1)；其中在所述溫度和壓力條件下所吸附的量小于最大可吸附量的區(qū)域3-2)；和其中沒有雜質(zhì)被吸附的第三區(qū)域3-3)。區(qū)域3-1) 稱為飽和區(qū)域，而第二區(qū)域3-2)稱為MTZ (傳質(zhì)區(qū)域)。在共同吸附(X)2和次級雜質(zhì)期間，發(fā)生被稱為共吸附的競爭吸附效應，其中(X)2由于與吸附劑的靜電相互作用的強度以及大大高于次級雜質(zhì)的分壓的(X)2分壓(例如，N2O分壓約為CO2分壓的百分之一，而它們各自與吸附劑的親和力類似)，所以妨礙次級雜質(zhì)的吸附。因而在CO2飽和區(qū)域3-1)內(nèi)，所吸附的次級雜質(zhì)的量最少，而在傳質(zhì)區(qū)域3- 中，所吸附的次級雜質(zhì)的量越大則所吸附的CO2量越低。甚至能觀察到，在CO2MTZ中或稍下游處， 由于被前進的(X)2前鋒所推進的次級雜質(zhì)的分壓增加，所吸附的次級雜質(zhì)的量有局部增加。因此，應該理解，循環(huán)越短，則CO2飽和區(qū)域相對于傳質(zhì)區(qū)域越小，這具有增加次級雜質(zhì)停止系數(shù)的效果。此現(xiàn)象在圖4中示出，圖4表明了如果循環(huán)時間減半，則飽和區(qū)域和傳質(zhì)區(qū)域的相對尺寸將發(fā)生怎樣的變化。本發(fā)明的主題還包括用于凈化原料氣體流的設備，該原料氣體流包含氧(O2)、水 (H2O)和二氧化碳(CO2),所述設備包括至少一個包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層的徑向吸附塔，和至少一個包含作為單吸附床層的分子篩床層的徑向吸附塔，其特征在于，兩個徑向吸附塔串聯(lián)放置。優(yōu)選地，所述設備包括至少一對包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層并交替操作的徑向吸附塔，和至少第二對包含作為單吸附床層的分子篩床層并交替操作的徑向吸附塔，其中第一和第二對徑向吸附塔串聯(lián)放置。圖2示出本發(fā)明的“串聯(lián)”設備。吸附塔“A”是僅含活性氧化鋁或硅膠床層的吸附塔，而吸附塔“ B，，是僅含分子篩床層的吸附塔。在本發(fā)明的方法和設備中，應用包含單一吸附劑床層的吸附塔，另外，這些徑向吸附塔中的每一個僅包括兩個格柵，而不是像用于同樣的凈化的現(xiàn)有技術的徑向吸附塔那樣包含三個格柵。這些2格柵吸附塔的高度因此得以增加。作為例子，在6巴壓力、30°C下且對于接近6米的直徑，用包括兩個2格柵吸附塔的單元處理的最大產(chǎn)量約為700，000Nm3/h，為了處理更大的產(chǎn)量，可以選擇使用兩個并聯(lián)的單元，每個單元包括兩個2格柵吸附塔，換句話說，使用4個吸附塔。在本發(fā)明的方法中，可以用兩個串聯(lián)的單元處理850，000Nm3/h，其中每個單元包括兩個2格柵吸附塔，換句話說用4個吸附塔。因此，本發(fā)明的方法能用同樣數(shù)量的吸附塔處理所述產(chǎn)量，同時降低了吸附塔的制造成本和提高了次級雜質(zhì)停止系數(shù)。標準的3格柵單元的循環(huán)時間由吸附塔的再生時間設定，對于可利用的再生率來說，所述再生時間由吸附塔的熱慣性、尤其是由氧化鋁上所吸附的水量決定。在本發(fā)明的方法中，含活性氧化鋁或硅膠床層的吸附塔的循環(huán)時間因此接近于包含氧化鋁床層和分子篩床層的標準單元的循環(huán)時間。包含分子篩床層的吸附塔的循環(huán)時間本身可以減少，因為它基本上對應于熱慣性。這是由于這里不再有待脫附的水，而僅有(X)2和次級雜質(zhì)，其需要很少量的能量(與再生氧化鋁上的大量水所需的脫附能量相比)。此較短的循環(huán)時間使得能夠減小吸附塔的尺寸并因此降低它的成本。在使吸附塔尺寸(以及設備的級別)標準化的情況下，CO2停止吸附塔可以是較小尺寸的水停止吸附塔。這種循環(huán)減少對于停止次級雜質(zhì)也是有利的，因為循環(huán)時間越短，CO2傳質(zhì)區(qū)域相對于飽和區(qū)域越長。由于0)2和次級雜質(zhì)的共吸附在MTZ中競爭較少，因而次級雜質(zhì)停止系數(shù)將提高。當然，隨著循環(huán)時間的變化，MTZ與飽和區(qū)域相比的相對尺寸還在床層的(X)2尺寸中引入了不利的非線性，換句話說，由于吸附動力學，將循環(huán)時間減半不會導致所需的吸附劑的體積減半。在本發(fā)明的方法中，不再需要有流量控制系統(tǒng)，因為全部空氣流都通過串聯(lián)的吸附塔。應該注意，每個吸附塔或每對吸附塔都設有自己的操作閥和自己的再生加熱器。 加熱器的尺寸將根據(jù)被再生的是氧化鋁還是分子篩而不同。從以下原理出發(fā)，即，包含單床層的吸附塔的尺寸設定為使得串聯(lián)的兩個吸附塔的壓降接近于并聯(lián)的標準吸附塔(包含兩個床層)上所得到的壓降(所有分子篩吸附塔的床層的厚度都比較小)，其中兩對吸附塔獨立再生，則可以預期再生時的壓降減小。因此，可以這樣設想循環(huán)和加熱時間使得單個加熱器可用于順序地或同時地再生氧化鋁或硅膠和分子篩(但是關于分子篩的持續(xù)時間仍比氧化鋁的持續(xù)時間短)?？傊?，除了上述的制造成本和簡單性方面的優(yōu)點之外，本發(fā)明的方法還具有根據(jù)吸附塔提供不同循環(huán)時間的優(yōu)點只含分子篩的吸附塔的循環(huán)時間較短，這在次級雜質(zhì)停止系數(shù)方面是有利的。
權利要求
1.一種用于凈化原料氣體流的方法，該原料氣體流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳 (CO2)以及所謂的次級雜質(zhì)，在該方法中a)將原料氣體流引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該吸附塔包含作為單吸附床層的、H2O被優(yōu)先吸附于其上的活性氧化鋁或硅膠床層；b)將從步驟a)得到的氣體引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該吸附塔包含作為單吸附床層的、(X)2和次級雜質(zhì)被優(yōu)先吸附于其上的分子篩床層；和c)重新收取從步驟b)得到的富含主要成分的氣體，該氣體能夠經(jīng)受低溫蒸餾。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b)中的分子篩是X型沸石。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟b)中所應用的吸附塔的尺寸小于或等于在步驟a)中所應用的吸附塔的尺寸，二者比率在0.4-1的范圍內(nèi)。
4.如權利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，每個吸附塔均經(jīng)受壓力/溫度循環(huán)， 在步驟a)中所應用的吸附塔的循環(huán)持續(xù)時間是在90分鐘和600分鐘之間，而在步驟b)中所應用的吸附塔的循環(huán)持續(xù)時間小于或等于在步驟a)中所應用的循環(huán)持續(xù)時間，二者的比率是在0.4和1之間。
5.如權利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在步驟a)中應用包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層并交替操作的兩個2格柵徑向吸附塔，和/或在步驟b)中應用包含作為單吸附床層的分子篩床層并交替操作的兩個2格柵徑向吸附塔。
6.如權利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在步驟a)中應用包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層的N對2格柵徑向吸附塔，其中特定的一對吸附塔交替操作并且所述N對吸附塔并行地遵循相同的壓力循環(huán)，和/或在步驟b)中應用包含作為單吸附床層的分子篩床層的N’對2格柵徑向吸附塔，其中特定的一對吸附塔交替操作并且所述N’ 對吸附塔并行地遵循相同的壓力循環(huán)，其中N彡1且N’彡1。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所處理的原料氣體流的小時摩爾流量是在 100，OOONmVh 和 3, 000，OOONmVh 之間。
8.如權利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，在步驟a)中所應用的吸附塔定期地利用通過第一加熱器加熱的再生氣體再生，在步驟b)中所應用的吸附塔定期地利用通過第二加熱器加熱的再生氣體再生。
9.如權利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，在步驟a)和b)中所應用的吸附塔定期地利用通過單獨一個加熱器加熱的再生氣體再生。
10.如權利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述原料氣體是空氣，所述主要成分是氧。
11.一種用于凈化原料氣體流的設備，該原料氣體流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)、以及所謂的次級雜質(zhì)(CnHm，氮氧化合物)，所述設備包括至少一個包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層的2格柵徑向吸附塔，和至少一個包含作為單吸附床層的分子篩床層的2格柵徑向吸附塔，其特征在于，兩個徑向吸附塔串聯(lián)放置。
12.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述設備包括至少一對包含作為單吸附床層的活性氧化鋁或硅膠床層并交替操作的2格柵徑向吸附塔，和至少第二對包含作為單吸附床層的分子篩床層并交替操作的2格柵徑向吸附塔，所述第一和第二對徑向吸附塔串聯(lián)放置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于凈化原料氣體流的方法，該原料氣體流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)以及所謂的次級雜質(zhì)，該方法包括a)將原料氣體流引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該吸附塔包含作為單吸附床層的、H2O被優(yōu)先吸附于其上的活性氧化鋁或硅膠床層；b)將從步驟a)得到的氣體引入至少一個2格柵徑向吸附塔中，該吸附塔包含作為單吸附床層的、CO2和次級雜質(zhì)被優(yōu)先吸附于其上的分子篩床層；和c)重新收取從步驟b)得到的富含主要成分的氣體，該氣體適合于低溫蒸餾。
文檔編號B01D53/04GK102215937SQ200980145985
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權日2008年11月18日
發(fā)明者B·達維迪安, G·羅德里格斯 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司