專利名稱：徑向床真空/變壓吸附容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于變壓吸附(PSA)或真空/變壓吸附(VPSA)過(guò)程的容器，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于VPSA過(guò)程的改進(jìn)的徑向床容器。
VPSA和PSA方法使用一選擇性吸附劑來(lái)從氣體混合物中去除至少一種氣體組分。兩種方法均使用四個(gè)基本處理步驟吸附、降壓、清洗和再加壓。PSA法和VPSA法為人們所熟悉并且被廣泛地用于選擇性地分離空氣組分即氧氣和氮?dú)狻?br> 吸附容器的設(shè)計(jì)對(duì)空氣分離系統(tǒng)的有效運(yùn)作是關(guān)鍵的。在吸附容器設(shè)計(jì)上的改進(jìn)途經(jīng)有降低能耗、降低基本投資和提高設(shè)備生產(chǎn)力三個(gè)方面。
VPSA容器一般設(shè)計(jì)成軸流吸附器，當(dāng)設(shè)備生產(chǎn)力需求使得容器直徑大于4-5米時(shí)，就會(huì)超過(guò)經(jīng)濟(jì)承載限度，從而使得其適用性受至限制。這導(dǎo)致要求實(shí)地安裝所述軸流容器，而這種實(shí)地安裝是昂貴和困難的。這種大直徑容器在上頂空間和下頂空間本身就具有大的空隙率百分比，同時(shí)呈現(xiàn)出由于大橫截面帶來(lái)的流量分配困難。結(jié)果，當(dāng)使用軸流容器設(shè)計(jì)時(shí)，大規(guī)模VPSA系統(tǒng)(即，＞80T/天)的經(jīng)濟(jì)性受到損失。
VPSA系統(tǒng)運(yùn)作受到床壓降和容器內(nèi)空隙體積的負(fù)面影響。床壓降代表著VPSA方法中導(dǎo)致效能差的一項(xiàng)實(shí)際原因。由于這些系統(tǒng)的較低操作壓力和回收率，而要求大的進(jìn)出吸附器的氣流量。這種大的氣流量導(dǎo)致越過(guò)床的高的表面氣體速度，產(chǎn)生有害的壓降，導(dǎo)致效率的損失。這種床壓降損失一般占能耗的10-15％。
在一軸流床中，如果吸附床橫截面由于增大直徑和降低塔速度而增大，那末就需要較大的吸附劑物料量。為改善能耗這增加了基本投資，導(dǎo)致總體經(jīng)濟(jì)性上基本沒(méi)有收獲。
在吸附容器中的空隙空間也在VPSA系統(tǒng)中產(chǎn)生損失。留在下端區(qū)的那部分氣體在所述循環(huán)中被加壓和減壓，最終導(dǎo)致放空損失。類似地留在上端區(qū)的那部分氣體在產(chǎn)品制備步驟后被濃集到氧氣中，隨后在排廢步驟中被排空并充當(dāng)?shù)托У难鯕馇逑戳鳌＿@種氧氣清洗氣的低效使用導(dǎo)致總體處理效率的低下。
先進(jìn)的VPSA循環(huán)使用較短循環(huán)周期的強(qiáng)力吸咐劑，放空損失和頂端氧氣清洗流損失可能變得相當(dāng)大。
先進(jìn)吸附劑及循環(huán)過(guò)程的采用驅(qū)使VPSA工藝設(shè)計(jì)向降低床長(zhǎng)充的方向發(fā)展。這種先進(jìn)吸附劑一般可有效地用一較短的傳遞長(zhǎng)度運(yùn)作，因此容易吸納這一特征的容器設(shè)計(jì)是吸引人的。伴隨軸流容器的較短床長(zhǎng)度的使用是可能的。但是當(dāng)需要大尺寸設(shè)備時(shí)，容器的直徑會(huì)變得過(guò)大。
大多數(shù)大的PSA系統(tǒng)或使用帶兩床循環(huán)的四床格式的平行軸流容器，或使用帶常規(guī)循環(huán)的大的水平(臥式)容器。這種多容器、四床設(shè)計(jì)的使用增加了設(shè)備的復(fù)雜性和花費(fèi)。臥式容器的使用增加了不均勻床形狀的低效能并導(dǎo)致了能耗上升。對(duì)于大規(guī)模VPSA氧氣生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)也不被認(rèn)為是最佳的。
在先有技術(shù)中已有徑向床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最初源于預(yù)純化器和反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。參見(jiàn)Poteau等的美國(guó)專利5232479、Metschl等人的美國(guó)專利4544384、Bosquain等人的美國(guó)專利4541851和Rogers的美國(guó)專利3620685。有時(shí)，也對(duì)這種徑向床設(shè)計(jì)在PSA系統(tǒng)的使用方面進(jìn)行了權(quán)利要求。每一種先有技術(shù)的徑向床設(shè)計(jì)均表現(xiàn)出具有一項(xiàng)或多項(xiàng)下列障礙1)大的空隙體積；2)不均勻流動(dòng)通道；3)沒(méi)有為反向流動(dòng)操作考慮的設(shè)計(jì)；4)其設(shè)計(jì)包含了多吸附床部分；
5)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使吸附劑裝載困難；6)高壓降；等。
因此，本發(fā)明的目的是提供在VPSA或PSA過(guò)程中使用的只用一個(gè)空隙體積小的吸附器室的改進(jìn)的容器。
本發(fā)明的另一目的是提供在VPSA過(guò)程中使用的能實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)流動(dòng)方向和改善流量分布的改進(jìn)的容器。
本發(fā)明的還一個(gè)目的是提供在VPSA過(guò)程中使用的改進(jìn)容器，它在一受限吸附床中使用緊密填充的吸附劑并展現(xiàn)出吸附劑用料量的減少。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供在VPSA過(guò)程中使用的改進(jìn)的容器，它能達(dá)到此常規(guī)設(shè)計(jì)降低能耗；通過(guò)比先有技術(shù)設(shè)計(jì)所能提供的更好的因素?cái)U(kuò)大設(shè)備規(guī)模；設(shè)備生產(chǎn)力不受吸附容器體積限制。
用于變壓吸附氣體分離處理中的容器包括限定具一頂區(qū)和一底區(qū)的封閉空間的封閉壁。一環(huán)形吸附床置于所述封閉空間中，它具有一多孔外壁、一多孔內(nèi)壁和置于兩壁間的吸附材料。多孔外壁和封閉壁分隔開(kāi)而在其中形成氣體進(jìn)料通道，多孔內(nèi)壁圍繞其表面和所述多孔內(nèi)壁分開(kāi)的內(nèi)罐并在其間形成產(chǎn)品流通道。一可選的氣體進(jìn)料/分布檔板結(jié)構(gòu)置于所述容器的底區(qū)并和氣體進(jìn)料通道流通以向它提供氣體進(jìn)料。所述氣體進(jìn)料經(jīng)多孔外壁并以常規(guī)放射狀地朝內(nèi)多孔壁和產(chǎn)品流動(dòng)通道的方向進(jìn)入氣體進(jìn)料通道和吸附床。產(chǎn)品出口位于和產(chǎn)品流動(dòng)通道流通的位置以收集經(jīng)多孔內(nèi)壁從吸附床通至的產(chǎn)品氣。在其上端一柔性膜在多孔外壁和多孔內(nèi)壁之間延伸并且被加壓以便施壓于吸附材料的上表面以防氣體流動(dòng)時(shí)吸附材料流化。


圖1是結(jié)合了本發(fā)明的VPSA容器的圖示。
圖2是顯示限制圖1的VPSA容器中的吸附床的內(nèi)外篩壁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的截面示意圖。
圖3是用于將進(jìn)口氣流分布到圖1的VPSA容器中的可選的經(jīng)流分布檔板的示意圖。
圖4是帶有出口在吸附器的底部的產(chǎn)品導(dǎo)管42的“U”形流量分布型容器的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的示意圖。
開(kāi)始先根據(jù)圖1-3描述VPSA容器10的總體結(jié)構(gòu)，接著詳細(xì)討論所述容器每個(gè)主要組件。VPSA容器10(見(jiàn)圖1)包括一外容器壁12，在12內(nèi)設(shè)有一環(huán)形徑向床14。徑向床14包括由外環(huán)形篩壁16和內(nèi)環(huán)形篩壁18固定的吸附珠粒的緊密填充區(qū)。容器壁12和外篩壁16間的區(qū)域界劃形成了外環(huán)形通道20。內(nèi)篩壁18和內(nèi)罐22的外壁29間的區(qū)域界劃形成了一內(nèi)環(huán)形通道24。
徑向床建立在一床支持結(jié)構(gòu)26上。在其最上端，徑向床14由一加壓的軟外殼28向下壓。一加壓進(jìn)口(未繪出)給預(yù)殼32下面的區(qū)加壓，依此引起軟外殼28向床14中的吸附劑伸展。此外內(nèi)罐22通過(guò)開(kāi)口30也維持和軟外殼28相同的壓力水平。
頂殼32環(huán)繞VPSA容器10的最外區(qū)并且經(jīng)開(kāi)口34可為將吸附珠粒載入吸附床14而導(dǎo)入可裝卸的進(jìn)料管36。在VPSA容器10的最低端置有一進(jìn)口即進(jìn)料和廢料管道40。管道40和分配往內(nèi)和往外兩種流動(dòng)氣體的分布區(qū)38相連。下分布區(qū)38和輸送氣流至外環(huán)形流動(dòng)通道的輻流通道52相加。通道52由下部外殼33的壁和下部?jī)?nèi)殼35的壁限定形成。
圖3顯示了可選的最下面經(jīng)流分布檔板38的細(xì)節(jié)。經(jīng)外管道40輸入的氣體通過(guò)檔板46沿著通常朝外環(huán)進(jìn)料通道20的徑向?qū)?。檔板46確保了進(jìn)口氣體較均勻分布到外環(huán)進(jìn)料通道20。這種下分布也可用多孔板(未畫出)代替檔板46來(lái)完成。
如圖1和2所示，進(jìn)入外環(huán)進(jìn)料通道20的氣體向上運(yùn)行并接著徑向通過(guò)外篩壁16進(jìn)入輻形吸附床14。在那里，較少在進(jìn)料中的所需氣被吸附并且較多所需氣體流出內(nèi)篩壁18并進(jìn)入內(nèi)環(huán)產(chǎn)品通道24。從那里，產(chǎn)品氣向下流動(dòng)并且通過(guò)容器10的頂部流出管道42。
現(xiàn)在將討論VPSA容器10的詳細(xì)情況。原料和廢氣通過(guò)管道40供給，所建造的加工管道內(nèi)部是平直的以在最小壓降下將近乎均勻的流量分布提供到容器10中。然后原料氣通過(guò)經(jīng)流分布區(qū)38，將氣體通過(guò)區(qū)52均勻分布到外環(huán)進(jìn)料通道20。圖3所示的經(jīng)流分布檔板46以可選的布置形式使用。這些檔板提供所述經(jīng)流氣體以離心流方式。所述氣體以離心流形式排出并且在一敞開(kāi)的下部端區(qū)52進(jìn)一步混合和均壓。
一直壁多孔檔板也可代替徑向檔板46使用。與徑向檔板46相比，多孔檔板可能具有較高的壓降。當(dāng)在管道40輸入的氣體不是均勻型并且需要進(jìn)一步整理時(shí)，就要使用這些操作檔板布置。
現(xiàn)在在下頂端區(qū)52均勻分布的氣體通過(guò)垂直的外環(huán)進(jìn)料通道20供應(yīng)到徑向吸附床14。所述氣體以向內(nèi)和徑向方式流過(guò)吸附床14。在吸附床14的產(chǎn)品端排出的氣體在內(nèi)環(huán)產(chǎn)品通道24收集并且向下流動(dòng)。這種流動(dòng)安排構(gòu)成了“U”形流動(dòng)方式。
產(chǎn)品氣在位于VPSA容器10的端部收集區(qū)54收集。所收集的產(chǎn)品氣通過(guò)管道42排出容器，排出容器10的頂部。
產(chǎn)品氣管道42也可設(shè)計(jì)成從所述容器的底部出口。圖4顯示了產(chǎn)品導(dǎo)管42包含于進(jìn)料導(dǎo)管40之內(nèi)并口含從底部出來(lái)的排布。
對(duì)VPSA處理的成功運(yùn)作來(lái)說(shuō)容器流量分布是關(guān)鍵的。對(duì)流量分布的主要起作用者是徑向吸附床14的進(jìn)料端和產(chǎn)品端之間的通道壓力差。這種壓力差是分壓損失和速度頭回收率或流動(dòng)氣體損失之綜和。當(dāng)氣流正進(jìn)入一通道時(shí)這些影響趨于消失，當(dāng)氣流正流出一通道時(shí)這些影響是增加的。消失和增加的程度受所述室的內(nèi)部幾何形狀(即直壁形、正錐形或拋物錐形)的影響。此外，所有VPSA處理方法均周期性地反轉(zhuǎn)氣流方向以完成隨后的吸附和解吸處理步驟。因此，在每個(gè)步驟帶入的流量不良分布的影響必須相應(yīng)地衡量。
考慮上述問(wèn)題后，采用了“U”形氣流取向和錐形壁垂直流動(dòng)室?guī)缀涡螤?0。已發(fā)現(xiàn)錐形流動(dòng)通道在逆向流動(dòng)應(yīng)用中改善了流量分布。通過(guò)在底端提供更大的進(jìn)口區(qū)域或通道20的氣體出口/進(jìn)口，這種錐形流動(dòng)通道是有效的。這些大區(qū)域?qū)嶋H上減少了在進(jìn)料和廢氣流中的壓力損失，所以提高了處理效率。通道20的錐形設(shè)計(jì)減少了該通道有害的空隙。當(dāng)壓力水平反轉(zhuǎn)時(shí)這種空隙帶來(lái)了放空損失。通道錐形化平衡了空隙體積和壓降損失。U形流動(dòng)通道和錐形壁流動(dòng)通道結(jié)合使VPSA容器10的處理效率達(dá)到極大，同時(shí)也減小了在最小空隙空間下伴隨著流動(dòng)方式反轉(zhuǎn)的流量不良分布的影響。盡管所示的出口通道24不是錐形的，但它也可從頂?shù)降族F形化。
要達(dá)到VPSA要求，在徑向床設(shè)計(jì)中一些流量不佳分布是不可避免的。在圖1-3所示的整個(gè)流動(dòng)通道和內(nèi)部流動(dòng)通道幾何形狀的選擇平衡了在整個(gè)循環(huán)中在所述各流動(dòng)通道的分壓損失和動(dòng)態(tài)壓力損失并使流量分布、壓降和空隙之間達(dá)到可接受的平衡狀態(tài)。
每個(gè)通道寬度根據(jù)給定方法中壓降、空隙體積和流量分布損失的綜合考慮來(lái)選擇。外環(huán)進(jìn)料通道20進(jìn)口的優(yōu)選寬度是吸附床14垂直長(zhǎng)度的4.5％，優(yōu)選范圍為4-5％，一般范圍為2-8％。內(nèi)環(huán)產(chǎn)品通道24的總的寬度范圍是吸附床14垂直長(zhǎng)度的5-13％、優(yōu)選范圍為7-11％，優(yōu)選寬度為14垂直長(zhǎng)度的9％。
外環(huán)進(jìn)料通道20的進(jìn)料面積和內(nèi)環(huán)產(chǎn)品通道24的面積比根據(jù)處理氣體流量選擇，優(yōu)選值為2.4，優(yōu)選范圍為1.25-3。
VPSA容器10被設(shè)計(jì)成使非所需的空隙區(qū)達(dá)到最小。在吸附床14的進(jìn)料端處的空隙通過(guò)床架結(jié)構(gòu)26降到最小。床架結(jié)構(gòu)26被建成一內(nèi)罐。這種設(shè)計(jì)依此消除了伴隨該區(qū)域出現(xiàn)的空隙體積。在常規(guī)容器中下端空間是空置的，給系統(tǒng)帶來(lái)了不必要損失。這種空隙在操作時(shí)被循環(huán)和被交替地加壓和降壓，產(chǎn)生放空損失。在進(jìn)料端VPSA容器10的空隙體積一般為吸附床體積的10-25％。
所述內(nèi)罐床架系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成能支持循環(huán)壓力應(yīng)力的封閉壓力容器，或設(shè)計(jì)成填滿固體材料的罐，從而敞開(kāi)在所述容器的較低壓力下。
在輻形吸附床14的產(chǎn)品端的空隙體積通過(guò)位于VPSA容器10中心處的內(nèi)罐22減小。內(nèi)罐22在頂部30處開(kāi)口并且被加壓到和固定軟外殼28同樣的壓力。罐22的下部通過(guò)一蓋封閉，進(jìn)一步減少無(wú)需的空隙和分布輸入的氧氣回流氣體。
產(chǎn)品端空隙容積在操作時(shí)被周期循環(huán)，在這些通道中的氧氣產(chǎn)品被加壓和解壓，在排空步驟中充當(dāng)?shù)托а鯕馇逑戳?。這種氧氣清洗的無(wú)效使用引起了氧氣/氮?dú)饨馕h的拉長(zhǎng)以及后來(lái)廢氣去除步驟時(shí)氧氣的損失。這導(dǎo)致了氧氣回收率的下降。為減少這些損失，VPSA容器10產(chǎn)品端空隙百分率一般為吸附床14體積的3-10％。
在VPSA操作中內(nèi)部的床流動(dòng)通道是關(guān)鍵的。為促進(jìn)和維持氣體流量分布，均勻的床分布型是必須的。這在毗鄰表面的床的頂角和底角處特別重要。內(nèi)部床設(shè)計(jì)和流動(dòng)通道在圖2顯示。吸附床14完全對(duì)稱，在所有連接表面上沒(méi)有任何斷點(diǎn)，內(nèi)部流動(dòng)通道完全均勻，沒(méi)有未掃到的床區(qū)域。
篩壁16和18和軟外殼28之間的界面顯示于長(zhǎng)劃線圈60處。所述篩壁延伸到吸附床14上方，所述吸附珠粒由軟外殼28覆蓋和密封。其高度為床垂直長(zhǎng)度的2-4％，允許在首次裝載時(shí)或由于沉降引起吸附劑水平有差異，但不允許有未掃到的區(qū)域。篩通過(guò)密封環(huán)66裝到多孔支持板64上，密封環(huán)66被設(shè)計(jì)用來(lái)在沒(méi)有產(chǎn)生大的阻礙的情況下接受所述篩，它不能軟外殼28覆蓋。該系統(tǒng)提供了正吸附劑和軟外殼密封。
篩壁在床支持板68下方延伸并使用一密封環(huán)或插入一槽(未畫出)內(nèi)的填料接連到該區(qū)域。該區(qū)域完全用密封材料填充，形成一均勻流動(dòng)通道。
吸附床14受限于柔性軟外殼28的密封作用。軟外殼28對(duì)床提供了限制，同時(shí)它本身也是提供均勻的床流量分布型的流動(dòng)組件的必要部件。在容器10中的徑向流動(dòng)通道產(chǎn)生了如沒(méi)提供限制就會(huì)抬高所述床的頂角區(qū)的床分壓。軟外殼被設(shè)計(jì)用來(lái)提供這種限制，并且不帶空隙或不均勻流動(dòng)通道。
軟外殼28被置于吸附床14的頂部，只覆蓋所述床的內(nèi)外緣的兩同心圓范圍內(nèi)形成的床區(qū)。然后軟外殼28在邊緣通過(guò)壓夾密封并通過(guò)加壓頂端區(qū)28將壓力加到高于最高循環(huán)壓力的壓力?？蓧嚎s海綿材料(未畫出)被塞在鄰近壁18和16的吸附床的頂部。這種材料受軟外殼28的壓縮確保了在床的頂角處吸附劑的保持。這確保了所有工藝條件的固定。容器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成能支持其最大固定壓力。
VPSA容器10被設(shè)計(jì)成可提供適應(yīng)美國(guó)專利5234159所標(biāo)的吸附劑密集裝載器系統(tǒng)的安裝和操作的空間。該專利與本專利所指定的代理人是相同的。專利5234159的公開(kāi)通過(guò)引用并入本文。上端區(qū)27(圖1)保持空置狀態(tài)以便安置旋轉(zhuǎn)臂組件36。在VPSA容器10中進(jìn)行的較短床低壓降VPSA過(guò)程需要均勻密實(shí)裝填的吸附劑。在床14上這種密實(shí)裝填的吸附劑提供了維持均勻流動(dòng)分布所需的均勻壓降分布。
吸附劑裝填后，臂組件36被移除。這種裝填系統(tǒng)的應(yīng)用具體通過(guò)可移除的頂部法蘭/產(chǎn)品管道組件和內(nèi)部連接管、低分布型內(nèi)部頂空罐和可移除床固定軟外殼的設(shè)計(jì)成為可能。
原料空氣流通過(guò)一可選的徑流分布檔板(圖3)均勻環(huán)繞地將氣體分布到外環(huán)通道20。在這種可選的安排中，檔板46提供了徑流氣體以離心流動(dòng)方式，徑流氣體然后在空敞的下端區(qū)52進(jìn)一步混合和均壓。圖中所示的檔板是直的，但實(shí)際上為減少分離降低壓降也可以是彎曲的。進(jìn)口流量分布系統(tǒng)也可設(shè)計(jì)用多孔板或另外的檔板組件以產(chǎn)生徑向壓降。
盡管VPSA處理沒(méi)有設(shè)計(jì)成會(huì)產(chǎn)生大的溫差，但進(jìn)口溫度和出口溫度是不同的。上述的設(shè)計(jì)通過(guò)將吸附床14的內(nèi)篩壁18只與下固定床架相連而留空內(nèi)篩壁18的頂部以適應(yīng)于改變著的作業(yè)溫度來(lái)解決該問(wèn)題。
盡管已描述了一優(yōu)選的實(shí)施例，但仍可進(jìn)行大量的改變。上面軟外殼28的加壓區(qū)可用一密實(shí)材料代替。這種密實(shí)材料可以是在軟外殼28上提供限制吸附劑所需的向下負(fù)荷的金屬球或陶瓷球。
所述的可選的進(jìn)口氣流分布系統(tǒng)可不同地設(shè)計(jì)。上述的結(jié)構(gòu)促使徑向外流氣體有一環(huán)繞流動(dòng)方向。然后這種加壓氣體在財(cái)團(tuán)的環(huán)室中平衡。所述徑向檔板可由一基本產(chǎn)生相同分布但帶來(lái)壓降稍許上升的多孔板檔板代替。在進(jìn)口和出口徑向床多孔壁板上可用分段穿孔代替均勻穿孔。
盡管容器10是具體針對(duì)氧氣循環(huán)中VPSA操作設(shè)計(jì)的，但它也可在其它應(yīng)用領(lǐng)域使用。這些領(lǐng)域包括不需要高溫?zé)嵩偕奈教幚?，諸如氧氣或氮?dú)馍a(chǎn)用PSA吸附、和空氣的PSA預(yù)純化。為適應(yīng)這些應(yīng)用的具體流量需求，需要對(duì)容器設(shè)計(jì)參數(shù)加以修改。
總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了眾多有利特點(diǎn)單固定床為了用吸附床14中的整體預(yù)純化器部分操作，容器10綜合了吸附劑、工藝和容器設(shè)計(jì)特征。這種特點(diǎn)不同于使用單獨(dú)吸附器部分來(lái)完成預(yù)純化的許多其它容器。因此容器10只含包括預(yù)純化器和主分離區(qū)兩者的一吸附床部分，這使建造簡(jiǎn)化。容器10能實(shí)現(xiàn)使用一固定吸附床的VPSA工藝的氧氣的大規(guī)模生產(chǎn)。其它吸附容器設(shè)計(jì)使用為完成處理氣流開(kāi)關(guān)而繞著容器內(nèi)的內(nèi)部開(kāi)口轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)吸附室。這種旋轉(zhuǎn)床工藝在大尺寸使用進(jìn)復(fù)雜得使人不敢用。外端進(jìn)入的原料流動(dòng)分布型原料空氣在所述系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程中被吸附，以原料氣從外朝中心流動(dòng)來(lái)布置容器，利用減小床橫截面連同減少氣體流量的幾何形狀。外進(jìn)料端流動(dòng)區(qū)和內(nèi)產(chǎn)品端流動(dòng)區(qū)成一比率并和處理氣體流量相關(guān)?？赡媪鲃?dòng)方向(“U”形流動(dòng)通道)氣體流動(dòng)通道的安排是進(jìn)料流沿外通道向上流動(dòng)而產(chǎn)品流在中心通道向下流而形成一“U”形流動(dòng)方式。VPSA處理在循環(huán)處理的一些階段以逆氣流方向運(yùn)作，容器10的設(shè)計(jì)適應(yīng)這種逆向流動(dòng)?？赡娴牧鲃?dòng)方向在錐形壁流動(dòng)通道上對(duì)直壁流動(dòng)通道進(jìn)行了模擬。計(jì)算結(jié)果表明錐形流動(dòng)通道提供了最低的壓降和空隙體積而同時(shí)維持可接受的流量分布。容器10采用錐形垂直流動(dòng)通道設(shè)計(jì)。低的空隙體積—短循環(huán)的應(yīng)用在進(jìn)料分布通道和產(chǎn)品分布通道上低空隙體積對(duì)先進(jìn)VPSA系統(tǒng)的有效運(yùn)作是必需的。使用先進(jìn)吸附劑和循環(huán)的VPSA系統(tǒng)以一短循環(huán)時(shí)間運(yùn)作。這個(gè)特征是吸附劑的高利用率和低的床尺寸因子的自然結(jié)果。在下端中的那些氣體在循環(huán)過(guò)程中被加壓和減壓，引起放空損失。在上端的那部分氣體富集了氧氣，當(dāng)容器10排空時(shí)，該氣體被拉吸過(guò)床，充當(dāng)一無(wú)效氧氣清洗流并提高了廢氣中的氧氣含量。這種氧氣清洗的無(wú)效使用導(dǎo)致了整個(gè)方法回收率的低下。
如果不采取具體減少空隙的措施，所述放空損失和氧氣清洗損失會(huì)達(dá)到相當(dāng)大的水平。容器10的這種徑向床設(shè)計(jì)減少了進(jìn)料端和產(chǎn)品端空隙。均勻的床流動(dòng)區(qū)容器10具有促進(jìn)及維持床內(nèi)分離前鋒的均勻移動(dòng)的床幾何形狀。在這方面內(nèi)部床流動(dòng)通道的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。如果這些前鋒不均勻，在吸附和解吸步驟結(jié)束時(shí)會(huì)在床的各個(gè)扇形區(qū)發(fā)生過(guò)早穿透。這種過(guò)早的局部鋒穿透例如會(huì)導(dǎo)致低純廢氣體混入主產(chǎn)品流中，從而降低總效率。
在床設(shè)計(jì)中斷點(diǎn)現(xiàn)象在匯入相鄰表面的床的頂角和底角處特別嚴(yán)重。這需要用在兩端均沒(méi)斷點(diǎn)的完全不中斷和對(duì)稱的幾何形狀設(shè)計(jì)所述容器。容器10的側(cè)壁篩組件滿足了這一要求。約束床固定系統(tǒng)徑向床VPSA容器必須設(shè)計(jì)有約束床固定系統(tǒng)以防止吸附劑流化。某些VPSA循環(huán)中氣體速度高，導(dǎo)致在循環(huán)的某些階段出現(xiàn)超過(guò)流化水平的速度。也存在由于設(shè)備故障引起的失靈的可能性，可能在非限定床上引起大規(guī)模床流化。由于容器10包括均勻密實(shí)填充的吸附劑，任何有礙這種密實(shí)度的吸附劑的流化均是有害的。上述的軟外殼固定系統(tǒng)滿足了所述固定需求，同時(shí)在這種可變高度的吸附床內(nèi)形成了一均勻流動(dòng)通道。由于運(yùn)作時(shí)吸附劑沉降緊實(shí)，吸附長(zhǎng)度可能有差異。進(jìn)口流量分布流量分布是容器10的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。必須將進(jìn)口和出口處的設(shè)計(jì)壓降保持在小的水平以降低能耗。這就要求維持輸入氣體均穩(wěn)的流量分布而不產(chǎn)生不必要的壓降或空隙空間。如果不能設(shè)計(jì)出在該進(jìn)口提供均勻流量的管道系統(tǒng)，那么就通過(guò)徑向檔板布置的使置用將容器10的進(jìn)口處設(shè)計(jì)成可以均勻環(huán)繞方式分布輸入氣體。
連接進(jìn)口40和出口錐形通道20的流動(dòng)通道也是一工程流動(dòng)通道。通道52由下端33和下空罐35組成。通道52是錐形的用以在進(jìn)出區(qū)40和通道20間提供平穩(wěn)過(guò)渡并且使空隙體積和壓降達(dá)到最小。均勻的床填充密度如上所述，在先進(jìn)VPSA吸附器中床長(zhǎng)度小，表面氣體速度大。這在容器的循環(huán)處理中所生了快速推進(jìn)前鋒，并需要維持所述前鋒盡可能均勻。如果這些前鋒不均勻，在床的各個(gè)區(qū)處可能出現(xiàn)過(guò)早穿透，降低了分離效率。通過(guò)填充床結(jié)構(gòu)的壓降是填充密度的函數(shù)，而流量是壓降的函數(shù)。因此，如果需要前鋒移動(dòng)均勻，那么吸附劑的填充密度非常重要。
容器10適應(yīng)使用能使整個(gè)吸附床的裝填達(dá)到均勻密度的密實(shí)填充裝填器系統(tǒng)。容器10的上端區(qū)有意空出，可選擇所述端區(qū)和床位置具體安排為裝填器安裝作準(zhǔn)備。
應(yīng)理解前面的描述只是本發(fā)明的說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可在沒(méi)有背離本發(fā)明的情況下做出各種改變和修飾。因此，本發(fā)明將包含所有落于所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的這種改變、修飾和異化。
權(quán)利要求
1.用于變壓吸附氣體分離過(guò)程的容器，它包括限定一具頂區(qū)和底區(qū)的封閉空間的閉式壁裝置；位于所述封閉空間內(nèi)所述頂區(qū)和底區(qū)間的環(huán)形吸附床，具有一多孔外壁、一多孔內(nèi)壁和位于兩壁間的吸附材料，所述多孔外壁與所述閉式壁裝置分隔開(kāi)來(lái)在其間形成一氣體進(jìn)料通道，所述多孔內(nèi)壁圍繞著一個(gè)腔室。位于所述腔室中并與所述多孔內(nèi)壁分離以在其間形成一產(chǎn)品流通道的內(nèi)壁裝置；位于所述底區(qū)并和所述氣體進(jìn)料通道流通以信該處提供氣體進(jìn)料的氣體原料進(jìn)口裝置，所述氣體原料依此經(jīng)所述多孔外壁并總體上徑向地朝所述內(nèi)多孔壁和產(chǎn)品流動(dòng)通道的方向進(jìn)入所述氣體進(jìn)料通道和所述吸附床；和位于所述底區(qū)并和所述產(chǎn)品流動(dòng)通道流通的產(chǎn)品出口裝置，所述產(chǎn)品流通道用于收集經(jīng)所述多孔內(nèi)壁通到該處的產(chǎn)品氣體以及提供其產(chǎn)品流，其中所述產(chǎn)品出口裝置包括和所述底區(qū)流通并向上延伸通過(guò)所述頂區(qū)的一出口管道。
2.權(quán)利要求1的容器，還包括在其上頂端延伸至所述多孔外壁和所述多孔內(nèi)壁之間的可移動(dòng)限制裝置；和用于加壓所述頂區(qū)的至少一部分以使所述可移動(dòng)限制裝置對(duì)所述吸附材料的上表面施壓的裝置，所述頂區(qū)維持在超過(guò)所述吸附床內(nèi)經(jīng)歷的最高壓力的一壓力下，其中所述可移動(dòng)限制裝置包括某種意義上可用于防止在所述環(huán)形吸附床的上部出現(xiàn)未掃到區(qū)域的附于所述多孔外壁和多孔內(nèi)壁兩者之上的一柔性膜。
3.權(quán)利要求2的容器，其中所述內(nèi)壁裝置構(gòu)造成具有和所述被加壓的頂區(qū)的所述部分相連的一開(kāi)口的罐，依此使所述罐獲得同樣的加壓水平。
4.權(quán)利要求1的容器，其中所述氣體進(jìn)料進(jìn)口裝置包括，一進(jìn)口管道；和連接于所述進(jìn)口管道和所述氣體進(jìn)料通道之間的用于將總體經(jīng)向流動(dòng)方式提供給所述氣體原料以便在所述氣體進(jìn)料通道獲得進(jìn)料氣體的實(shí)際均勻分布的分布裝置，其中所述分布裝置包括一閉合罐，罐上部用作所述環(huán)形吸附床的機(jī)架，下部限定出從所述氣體原料進(jìn)口裝置的一進(jìn)口延伸到所述氣體進(jìn)料通道的一進(jìn)口通道。
5.權(quán)利要求1的容器，其中所述閉式壁裝置以形成一錐形氣體進(jìn)料通道的方式和所述多孔外壁分開(kāi)，其中所述內(nèi)壁裝置通過(guò)一實(shí)際固定距離和所述多孔內(nèi)壁分隔開(kāi)而形成一橫截面實(shí)際恒定不變的產(chǎn)品進(jìn)料通道。
6.權(quán)利要求5的容器，其中所述氣體進(jìn)料通道在所述閉式壁裝置和所述多孔外壁間的橫截面寬度為所述環(huán)形吸附床高度的2-8％。
7.權(quán)利要求5的容器，其中所述產(chǎn)品流動(dòng)通道在所述內(nèi)壁裝置和所述多孔內(nèi)壁之間的橫截面為所述環(huán)形吸附床高度的5-13％。
8.權(quán)利要求5的容器，其中在所述氣體進(jìn)料通道和所述氣體原料進(jìn)口裝置內(nèi)的空隙體積是所述環(huán)形吸附床體積的10-25％。
9.權(quán)利要求8的容器，其中在所述產(chǎn)品流動(dòng)通道和所述產(chǎn)品出口裝置內(nèi)的空隙體積為所述環(huán)形吸附床體積的3-10％。
10.權(quán)利要求2的容器，其中所述多孔外壁和多孔內(nèi)壁的上端位于所述閉式裝置內(nèi)以容許在不同濃度條件下在其間相對(duì)移動(dòng)。
11.權(quán)利要求1的容器，其中所述頂區(qū)被建成可向其內(nèi)導(dǎo)入通常為徑向延伸的可旋轉(zhuǎn)管道的方式從而可實(shí)現(xiàn)所述環(huán)形吸附床的密實(shí)填充。
全文摘要
本文公開(kāi)了含一單個(gè)固定吸附器室的用于真空變壓吸附空氣分離的徑向床吸附容器。該容器的獨(dú)特設(shè)計(jì)減少了空隙體積,改善了多向流量分布、并且為循環(huán)操作提供了所需的床約束。
文檔編號(hào)B01J8/02GK1176843SQ9711537
公開(kāi)日1998年3月25日 申請(qǐng)日期1997年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月23日
發(fā)明者J·斯莫爾阿?？? F·W·萊維特, J·J·諾沃比爾斯基, V·E·伯格斯坦, J·H·法斯鮑 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司