本發(fā)明涉及一種吸附純化單元，該吸附純化單元包括再生部件和填充有顆粒吸附劑的吸附器的組合，該再生部件包括結(jié)構(gòu)化吸附劑。

當(dāng)要生產(chǎn)、分離或純化氣體時，可以使用吸附方法。通常使用幾個填充有吸附性材料的吸附器，這些吸附性材料相對于進料流的至少一種成分是選擇性的。存在兩種主要的吸附器技術(shù)，一種是軸向床吸附器，并且另一種是徑向床吸附器。在第一種情況下，氣體豎直地流通通過吸附床，在第二種情況下，氣體徑向地流通，或者是從內(nèi)向外(相對于吸附階段)呈離心配置，或者從外向內(nèi)呈向心配置。

在本發(fā)明的上下文中，將分別提及psa(變壓吸附)、vsa(真空變壓吸附)和(v)psa(表示這兩種單元中的一種或另一種而且還有這兩種單元的組合)。

軸向技術(shù)不是非常昂貴的，但是當(dāng)處理高流速時，壓降和摩擦的問題成為限制。因此，從待處理的一定流速開始，一種解決方案包括變?yōu)閺较驇缀涡螤?，該徑向幾何形狀?dǎo)致壓降的限制而不增加吸附器的半徑。確切地，徑向吸附器對于給定體積的吸附器提供增加的流動面積，并且理論上不受到相對于磨損現(xiàn)象的限制。吸附劑的床可以懸掛在通過頂部懸掛的豎直穿孔的格柵之間。此徑向技術(shù)的最知名的缺點是死體積的增加和高的制造成本。

然而，當(dāng)相比于其他床，一個床具有更小尺寸時，與此徑向技術(shù)關(guān)聯(lián)的另一個缺點出現(xiàn)。

例如，psa或tsa吸附方法將被認為是包括兩種類型的吸附劑(a和b)，要求在吸附階段使氣體在b之前穿過a并且為此所需的吸附劑b的量相對于量a是非常大的。由于吸附器包括2個床，3個格柵通常用來保持顆粒材料。在向心徑向配置中，材料a位于“外部”格柵與“中間”格柵之間，而材料b被保持在同一中間格柵與“內(nèi)部”格柵之間。于是此a/b不均衡性一方面突出構(gòu)建所述徑向吸附器的困難，由于外和中間格柵的直徑是相似的，并且因此使得難以維持床的均勻厚度，由于這些格柵的非理想的特征和可能的變形(可能導(dǎo)致在篩網(wǎng)厚度較小的區(qū)域中的優(yōu)先路徑)。

為了克服這些缺點，一種解決方案是反轉(zhuǎn)氣體的流動方向以及還有吸附劑的分布，這樣使得吸附劑a是在內(nèi)格柵與中間格柵之間并且吸附劑b是在該中間格柵與外格柵之間。隨著在吸附階段中氣體從容器內(nèi)部向外部的流動，吸附器因此呈“離心徑向”的配置(圖1)。

然而，這種離心配置可以證明是比向心的解決方案更低能效的。將提及，例如，o2vsa方法的情況，其中這種離心配置大幅增加了壓降并且因此不利于該方法的比能量，以及還有tsa方法的情況，其中從外向內(nèi)的再生將增加熱損失。

o2vsa方法通常由兩個床組成，第一個床為氧化鋁的低體積層(硅膠或某些沸石也單獨或組合地被使用)，其目的是阻止包含在進料空氣中的水，并且第二個床是相對于氧氣選擇性地保留氮氣的沸石層。

使得能夠保持向心配置(被稱為“蘑菇”配置)的一種幾何結(jié)構(gòu)已用于這些o2vsa方法。它包括在吸附器的底部安裝一層粒狀的氧化鋁，該氧化鋁被保持在兩個格柵之間(其中流體徑向流通)、或更簡單地放置呈軸向配置。雖然這種解決方案使得能夠保留沸石的向心徑向配置，然而它使構(gòu)建大大復(fù)雜化并導(dǎo)致顯著額外的成本。

還加入到這些流體動力學(xué)問題中的是與幾種選擇性吸附劑的存在關(guān)聯(lián)的缺點。提及o2vsa方法的情況，使用呈粒狀形式的氧化鋁(該氧化鋁如上所述具有使待處理的氣體脫濕的作用)現(xiàn)今限制了此類方法的性能水平，特別是比能量和生產(chǎn)率。確切地，將氧化鋁層添加到吸附器中大大增加了死體積以及還有壓降。最后，氧化鋁，由于其物理特性，充當(dāng)熱絕緣體/儲能器，導(dǎo)致在與篩網(wǎng)的界面處的制冷量的儲存，一種大大不利于系統(tǒng)的比能量的現(xiàn)象。從使用的一種或多種其他吸附劑中分離氧化鋁將因此使得有可能受益于泵送能量的顯著節(jié)省。

從那里開始，面臨的一個問題是提供一種新穎的配置，該配置使得能夠克服所有這些缺點。

本發(fā)明的一種解決方案是一種用于純化氣體流的(v)psa類型的吸附單元，該吸附單元在進料氣體流的流動方向上依次包括：

-旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)化吸附劑輪，該吸附劑輪被配置為驅(qū)動該氣體流以軸向方式從其中通過并且使得可能將進料氣體干燥到對應(yīng)于低于-30℃的露點的水平，(其隨后將被描述為“干”流)；和

-向心徑向配置的吸附器，該吸附器包括顆粒吸附劑床。

表述“顆粒吸附性材料”應(yīng)理解為是指一種吸附劑，該吸附劑是呈具有毫米尺寸的顆粒、珠粒、棒等的形式，總體上具有在從0.5延伸到5毫米的范圍內(nèi)的等效直徑(相當(dāng)于相同體積的球體的直徑)。

表述“結(jié)構(gòu)化吸附劑”應(yīng)理解為是指具有范圍從幾厘米到幾米的尺寸并且具有對氣體開放的通道的固體材料，例如整塊料、泡沫或織物。這些結(jié)構(gòu)化吸附劑具有(相比于粒狀吸附劑)使能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的動力學(xué)和非常低的壓降而不展現(xiàn)已知的磨損限制的顯著特征。雖然這些結(jié)構(gòu)現(xiàn)今比粒狀吸附劑貴得多，如果伴隨著相當(dāng)大的壓降節(jié)約和/或構(gòu)建吸附器的成本的顯著降低(經(jīng)由吸附劑體積降低或構(gòu)建的簡化)，其完全替代粒狀床的經(jīng)濟優(yōu)勢可以證明是決定性的。

優(yōu)選使用的結(jié)構(gòu)化吸附劑是平行通路接觸器。表述“平行通路接觸器”應(yīng)理解為是指其中流體進入通道的裝置，這些通道的壁含有該吸附劑。流體在這些通道中流通，這些通道基本上是無障礙物的，這些通道使流體能夠從接觸器的入口流通到出口。這些通道可以是直線的，將接觸器的入口直接連接到出口，或可具有方向的變化。流體，在其流通過程中，與在所述壁上存在的至少一種吸附劑接觸。

視情況而定，根據(jù)本發(fā)明的單元可以具有以下特征中的一項或多項：

-吸附劑輪包括至少一個專用于吸附的區(qū)域和至少一個專用于再生的區(qū)域；

-該專用于再生的區(qū)域至少包括第一部分，該第一部分經(jīng)受熱流，即，在高于進料流的溫度、優(yōu)選高于進料流的溫度至少20℃的溫度下；以及第二部分，該第二部分經(jīng)受一個流(冷流)，該流處于低于該第一部分經(jīng)受的流(熱流)的溫度的溫度下、優(yōu)選在進料流加或減10攝氏度的溫度下；

-該吸附器由一個圓柱形殼體和兩個端壁組成并且顆粒吸附劑床借助于同心地放置的兩個穿孔格柵保持在位；

-顆粒吸附劑的體積與結(jié)構(gòu)化吸附劑的體積的比率是在2與100之間；

-該顆粒吸附劑包括氧化鋁、硅膠、活性炭、mof或a、x或y類型沸石的珠粒；

-該結(jié)構(gòu)化吸附劑包括通道，這些通道的壁含有吸附劑；

-包含在這些通道的壁中的吸附劑選自氧化鋁、硅膠、活性碳、或a、x或y類型沸石。

本發(fā)明的另一個主題是一種用于使用根據(jù)本發(fā)明的純化單元純化氣體流的吸附方法，其中吸附劑輪遵循壓力循環(huán)，該壓力循環(huán)包括吸附步驟和再生步驟，并且該吸附劑輪的旋轉(zhuǎn)在每個吸附步驟結(jié)束時進行。

視情況而定，根據(jù)本發(fā)明的方法可具有以下特征中的一項或多項：

-該吸附劑輪包括至少一個專用于吸附的區(qū)域和至少一個專用于再生的區(qū)域，該專用于吸附的區(qū)域接收進料氣體流，該專用于再生的區(qū)域接收再生氣體流，并且，以連續(xù)的方式，通過該吸附劑輪的旋轉(zhuǎn)，該專用于吸附的區(qū)域變?yōu)樵搶Ｓ糜谠偕膮^(qū)域，并且相反地，該專用于再生的區(qū)域變?yōu)樵搶Ｓ糜谖降膮^(qū)域；

-在向心徑向配置的吸附器的出口，經(jīng)純化的流和殘余流被回收；

-該經(jīng)純化的流或殘余流作為再生流用于向心徑向配置的吸附器；

-所述方法是o2vsa方法；

-所述方法處理至少10000nm³/h的空氣流率。

優(yōu)先使用的結(jié)構(gòu)化吸附劑是呈輪的形式，從而使其能夠被幾個專用區(qū)域共用。術(shù)語“區(qū)域”應(yīng)理解為是指至少一個專用于吸附階段的區(qū)域b1和至少一個專用于再生階段的區(qū)域b2(圖3)。

具有僅單一的選擇性吸附劑的向心徑向吸附器的操作在圖2中示出。待純化或待分離的流體1進入徑向吸附器10的底部部分，穿過吸附物質(zhì)20，并且產(chǎn)物從上部部分2離開。在再生期間，再生流體3經(jīng)由頂部部分逆流進入，使吸附物質(zhì)20中含有的雜質(zhì)脫附，并且殘余氣體4從底部部分離開。吸附器10本身由具有豎直軸線aa的圓柱形殼體和兩個端壁組成。將該吸附物質(zhì)借助于固定到上端壁上的外部穿孔格柵11和同樣內(nèi)部穿孔格柵12并且借助于在下部部分中的實心金屬板13保持在位。氣體1在圓柱形殼體與外部格柵之間的外部自由區(qū)域14內(nèi)的周邊處豎直流通，徑向穿過吸附物質(zhì)20，然后在經(jīng)由頂部離開吸附器之前在內(nèi)部自由區(qū)域15中豎直流通。再生是在反向上進行的。

具有幾個專用的扇區(qū)的“旋轉(zhuǎn)的”輪的操作在圖4中示出。有待干燥或有待分離的進料氣體流1經(jīng)由區(qū)域1進入輪a的底部部分，干產(chǎn)物然后在2處離開。再生是在反向上進行的，熱流到達3，經(jīng)由區(qū)域2穿過輪a；該流，然后載有雜質(zhì)，在4處離開。一個任選的區(qū)域3可以用于輪a的完全再生并且用于盡可能好地準(zhǔn)備下一吸附階段，所使用的冷流在5處進入并且在6處從扇區(qū)3離開。值得注意的是，優(yōu)選的是在變?yōu)槲街袄鋮s該吸附劑物質(zhì)，以便避免擾亂下游工藝并且更簡單地，因為如果該吸附物質(zhì)是熱的，它不能吸附非常多。此流必須強制地是干燥的，即，具有低于-30℃的露點。

在o2vsa方法的情況下，空氣流的提供和吸附劑體積的再生是由通常體積型的旋轉(zhuǎn)機器進行。常規(guī)地，使用的是羅茨(roots)技術(shù)的機器，同時用于吹送/壓縮進入的空氣和用于吹掃吸附器，分別被稱為“鼓風(fēng)機”和“真空泵”。本發(fā)明傾向于真空泵技術(shù)，該技術(shù)使得有可能提供在80℃以上的溫度下的干燥氣體或任選地具有低濕度的氣體，或傾向于使得有可能提供干熱氣體的最終氧氣壓縮機。

所述徑向吸附器和所述輪的偶聯(lián)操作在圖5中示出。有待純化或有待分離的流體1經(jīng)由通常吹送類型的旋轉(zhuǎn)機器a被壓縮，然后經(jīng)由流2傳送至輪b。流2經(jīng)由專用于純化的區(qū)域b1穿過輪b的吸附劑物質(zhì)。因此，經(jīng)純化的流3被送到徑向吸附器。最終產(chǎn)物經(jīng)由流4以向心流通離開吸附器c。再生是在反向上進行的，雜質(zhì)經(jīng)由流5借助通常真空泵類型的旋轉(zhuǎn)機器d解吸。通過旋轉(zhuǎn)機器d的操作加熱的雜質(zhì)流6進入所述干燥劑輪b的再生扇區(qū)b2。含所述徑向吸附器c和所述輪b的雜質(zhì)的流7被送到排放孔。

另一種可能的操作圖解呈現(xiàn)于圖6中。呈現(xiàn)的方法的總體操作類似于圖5的總體操作。干燥劑輪b的再生，經(jīng)由區(qū)域b2，這次借助于源于最終產(chǎn)物壓縮機e的干熱流5進行。流6然后包含可升級的產(chǎn)物以及還有干燥劑輪b中包含的雜質(zhì)。

最后，任選的第三區(qū)域可用于干燥劑輪。圖7提出了這種操作模式的圖示。因此，干燥劑輪b的再生區(qū)域的任選的冷卻，特別通過使用區(qū)域b3，可經(jīng)由流10進行，該流借助于在旋轉(zhuǎn)機器d的出口處安裝冷回路e預(yù)冷。此任選的冷卻使得有可能完成干燥劑輪b的再生并且盡可能好地準(zhǔn)備專用于吸附階段的區(qū)域b1。

經(jīng)由位于干燥劑輪與真空泵之間的熱交換器使用冷回路是任選的。

干燥劑輪的旋轉(zhuǎn)速度和循環(huán)與該(v)psa方法的操作循環(huán)相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)本發(fā)明的吸附方法具有以下優(yōu)點：

-使得有可能從離心配置變?yōu)楦吣苄У南蛐呐渲茫?/p>

-使得有可能無需在徑向部分中的格柵，這顯著簡化了吸附器的構(gòu)建，并直接導(dǎo)致此吸附器的成本降低；

-使能夠降低在進料側(cè)上的死體積，該死體積通常有損于(v)psa方法的性能水平；

-使得有可能克服由氧化鋁(或其等效物)引起的制冷量的儲存問題；

-使能夠能量整合，尤其是通過受益于用于再生所述干燥機輪的真空泵(或任選安裝的最終產(chǎn)物壓縮機)的排出熱。

呈現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的單元可以用于各種psa方法，例如必須生產(chǎn)高純度的氫氣的h2psa方法，以及co2psa和o2psa方法等。它也可以用于干燥、脫碳酸或阻止氣體流的次要雜質(zhì)(尤其來自大氣中的)。表述“次要雜質(zhì)”應(yīng)理解為是指痕量的烴、nox、sox等。

最后，根據(jù)本發(fā)明的吸附器可用于o2vsa方法中，這些方法使得有可能處理范圍從一千到大于40000nm³/h、或甚至大于60000nm³/h的空氣流速。

通過舉例，大型的o2vsa方法(使有可能生產(chǎn)大于30噸/天的具有大于90％的標(biāo)準(zhǔn)純度的氧氣)展現(xiàn)出為徑向和離心配置以便保持足夠大的氧化鋁厚度的經(jīng)濟優(yōu)勢。

對于該o2vsa方法的情況，使得有可能具有偶聯(lián)的向心徑向配置的根據(jù)本發(fā)明的一種解決方案將是如下：

-結(jié)構(gòu)化吸附劑(包括氧化鋁或硅膠)的旋轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生小的壓降并且將進料氣體的露點降低至低于-30℃的溫度，并通過該旋轉(zhuǎn)輪該氣體將軸向流通；和

-由粒狀lilsx篩網(wǎng)構(gòu)成的顆粒吸附劑的床，旨在用來分離氧氣與氮氣并且在所述向心吸附器中通常置于兩個同心的格柵之間，且其熱的殘余氣體用于再生下游的旋轉(zhuǎn)單元。