CN100536995C - 一种吸附干燥的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种吸附干燥方法，包括吸附阶段和再生阶段。在再生阶段中，经吸附干燥后的原料气体的一部分作为再生气进行逆向加热再生和吹冷，再生气再经冷却分离出游离水后，不经过增压机，而是直接回到干燥系统的中部，经吸附干燥后得到产品气。本发明还提供了使用该方法进行干燥的装置。本发明的吸附干燥方法安全、节能、维护简便。

Description

一种吸附干燥的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种干燥方法，具体地涉及吸附干燥方法。

背景技术

当前，气体干燥工艺分为两大类：吸附干燥和冷冻干燥。

气体的吸附干燥属固气两相传质过程，其过程由吸附和再生两个阶段组成，而其中吸附剂的再生是实现气体干燥的一个很重要的方面，其再生工艺方法及效果，直接影响所处理气体的露点、装置运行的单位能耗和供气持续性。

如果在对产品气的干燥度要求很高时，如露点为-60～-90℃，采用一般的吸附干燥方法很难达到所需的质量要求或能到达但能耗过高等。

当待干燥的气体是氢气、一氧化碳、甲烷、天然气等易燃有毒气体和怕被污染的各种高纯气体时，一般需要进行闭路循环气体再生。在闭路循环气体再生过程中，如上所述为了保持工作压力，需要采用增压机才能使吸附干燥过程持续进行。而采用增压机的不足之处在于：耗能、维护麻烦，同时由于动装置长期运转易产生故障，容易泄漏而影响气体的质量及产生安全隐患等缺点。

综上所述，本领域缺乏安全、节能、维护简便的吸附干燥方法及其装置。因此，本领域迫切需要开发一种无需增压机而实现干燥的再生气进行逆向再生，并且无再生气放空的干燥方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于获得一种无需增压机而实现干燥的再生气进行逆向再生，并且无再生气放空的干燥方法。

本发明的另一目的在于获得一种无需增压机而实现干燥的再生气进行逆向再生，并且无再生气放空的干燥装置。

本发明一方面提供一种吸附干燥方法，包括干燥步骤(A)和再生步骤(B)，所述干燥步骤(A)中采用串联的第一干燥单元和第二干燥单元，所述第二干燥单元的压力小于第一干燥单元；

所述再生步骤(B)中采用串联的第一再生单元和第二再生单元，所述第二再生单元的压力大于第一再生单元；

且所述方法包括以下步骤：

(A)干燥步骤：

(A—1)含水原料气在第一干燥单元中进行吸附干燥后，得到吸附干燥气体；

(A—2)步骤(A—1)的吸附干燥气体的部分气体作为再生气进入第二再生单元，余量部分气体在第二干燥单元干燥后进行收集得到产品气；

(B)再生步骤：

(B—1)步骤(A—2)得到的再生气逆向流动依序进入第二再生单元和第一再生单元进行再生，分离出游离水后，得到初步除水的再生气；

(B—2)步骤(B—1)中的除水的再生气重新回到第二干燥单元与第二干燥单元的进气合并后干燥得到产品气。

在本发明的优选实施方式中，步骤(A—2)中的所述再生气占所述吸附干燥气体的5—50体积％。

在本发明的优选实施方式中，步骤(B—1)中的初步除水的再生气的露点为10～40℃。

在本发明的优选实施方式中，第二干燥单元的压力小于第一干燥单元的压力差为5～200Kpa。

在本发明的优选实施方式中，第二再生单元的压力大于第一再生单元的压力差为1～50Kpa。

在本发明的优选实施方式中，(A—1)步骤得到的吸附干燥气体的露点为-40℃～-90℃。

在本发明的优选实施方式中，步骤(A—1)中含水原料气的含水量包括但不限于饱和含水量。显然，低于饱和含水量的原料气也适用于本发明的吸附干燥方法。

在本发明的优选实施方式中，步骤(B—1)中再生气在逆向流动时进行加热30—600℃。

在本发明的优选例中，再生气在逆向流动时进行加热的温度优选60～400℃；进一步地，可以同时对加热后的干燥器用再生气进行吹冷至室温，例如15—35℃。

在本发明的优选实施方式中，所述步骤(B—1)中再生气中的解吸出的水份采用冷却法冷却，进而分离出游离水。

在本发明的优选实施方式中，干燥步骤(A)和再生步骤(B)可以互相切换，即第一干燥单元和第二干燥单作为再生单元，而第一再生单元和第二再生单元作为干燥单元。

在本发明的优选实施方式中，

步骤(A—2)或(B—2)中的所述产品气的露点为-40℃～-90℃，和/或

步骤(A—1)中的所述原料气体的工作压力为0.03～16Mpa。

在本发明的优选实施方式中，所述原料气体为易燃易爆有毒气体和高纯气体。

在本发明的优选实施例中，所述易燃易爆气体选自氢气、一氧化碳、甲烷、天然气或其组合，所述有毒气体选自氨气、硫化氢、一氧化碳、氯化氢、二氧化硫、甲醇或其组合，所述高纯气体的纯度大于99.9％，例如99.9％～99.9999％。

本发明的优选实施例中，所述原料气体为：氢气、一氧化碳、甲烷、天然气或其组合。

本发明另一方面提供一种吸附干燥装置，包括并联的干燥单元和再生单元，

所述干燥单元中包括串联的第一干燥单元和第二干燥单元，所述第一干燥单元和第二干燥单元之间设置调压装置，

所述再生单元包括串联的第一再生单元和第二再生单元，所述第一再生单元和第二再生单元之间设置调压装置；

所述干燥单元和再生单元之间设置有通路，包括：

供再生气从第一干燥单元进入第二再生单元的通路，

和供再生气从第一再生单元进入第二干燥单元的通路。

在本发明的优选例中，压降损耗为10—500kPa。

在本发明的优选实施方式中，所述调压装置是一个或多个调压减压阀。

在本发明的优选实施方式中，所述调压减压阀还并联一个或多个单向阀。

在本发明的优选例中，本发明的调压装置包括二个减压调节阀和二个单向阀，用以实现步骤闭路循环的实现及再生气量的分配。

附图说明

图1为本发明的吸附干燥方法流程及其装置示意图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进方法和装置，获得了不需要采用增压机的气体吸附干燥方法，并意外地发现此方法用于对闭路循环气体进行吸附干燥的效果特别优异，故特别适合作为氢气、一氧化碳、甲烷、天然气等易燃有毒气体和怕被污染的各种高纯气体的干燥方法。在此基础上完成了本发明。

如无相反指明，本发明中的吸附器即为吸附干燥器。

再生气

本发明的再生气亦称清洗气，其作用是将干燥剂所吸附的水分解吸并带出干燥单元(具体的例子如干燥塔)。干燥器的再生是传热和传质过程的结合。当温度较高干燥度较低的再生气进入干燥器进行再生，一方面加热干燥器内的吸附剂，使其进行解吸；另一方面，吸附剂内所含水份扩散到再生气内而被带走，因此，再生气的干燥度直接影响到吸附剂的再生效果以及干燥器的处理能力。同时，再生方式的不同决定了所选择的再生气回流比的不同。本发明采用一部分(如5～50％)经初步干燥的气体作为再生气，进行逆向再生。其优点在于，干燥的再生气进行逆向再生可达到较深的干燥度，同时这对吸附剂的再生有利，可确保产品气达到较好的干燥深度，露点可达-40℃～-90℃D.P。

本发明所指的“逆向再生”的定义为气体处于干燥阶段时的流向与再生气处于再生阶段时的流向相反。

在本发明中，原料气体在第一干燥单元中进行吸附干燥后，得到露点为-40℃～-90℃的吸附干燥气体；其中的5—50体积％的气体，优选5—40％，作为再生气进入再生阶段。本发明的再生气为干气(本发明的“干气”指含水量较低的气体，即露点为-40℃～-90℃的吸附干燥气体)。再生气逆向流动进入第二再生单元和第一再生单元进行再生，再生气分离出游离水后(优选采用冷却法进行分离)，得到常温露点下的再生气；除水的再生气重新回到第二干燥单元与第二干燥单元的进气合并后干燥得到产品气。

在本发明的优选例中，再生气在逆向流动的同时进行加热30—600℃，优选60～400℃；同时，对加热后的干燥器用再生气进行吹冷至室温，例如15—35℃。

现有技术中对一般气体的干燥通常要进行放空或是进行增压。但是如果需要处理的气体是易燃易爆、有毒、高纯或昂贵的气体，例如氢气、一氧化碳、甲烷、天然气等，则整个系统需要进行密闭无法放空。此时就必须在系统中增加一个增压装置对系统进行增压。显然，增加了一个增压机不仅使系统更加复杂，而且造成了安全隐患。

而本发明的再生气为干气，逆向再生，再生气不放空。系统无增压机再生循环为闭路循环即再生气不放空，特别适用于易燃有毒及高纯、昂贵的气体；不采用增压机，便于使用维护。

吸附干燥剂

吸附是因吸附质与吸附剂分子间相互作用而发生吸附质分子相际转移的一种作用。本发明的吸附干燥剂是指通过吸附作用而对气体进行干燥的物质。

本发明的干燥单元和再生单元中，可以采用分子筛、活性氧化铝、硅胶或其组合作为吸附剂来进行干燥。各个干燥单元之间可以采用相同的干燥剂，也可以采用不同的干燥剂，例如：第一、第二干燥单元可以采用相同的干燥剂，也可以采用不同的干燥剂。同时，干燥单元与再生单元是对称关系，即第一干燥单元与第一再生单元、第二干燥单元与第二再生单元应装填相同的干燥剂。

当待干燥的气体与吸附剂充分接触时，气体中的水分子扩散到吸附剂上并因范德华引力而被吸附。与此同时，被吸附的水分子因本身的热运动及外界气态分子碰撞，有一部分离开吸附剂表面返回气相，即发生脱附。当同一时间内水分子的吸附量与脱附量相等时，就达到了一个动态吸附平衡，此时吸附与脱附过程均在进行，但速度相等，这种动态吸附平衡是在一定温度与压力条件下建立的。当温度和压力改变时，系统原有的平衡关系将被打破而建立一个新的平衡关系。

干燥单元和再生单元

本发明的吸附干燥装置包括干燥单元和再生单元，干燥单元中包括串联的第一干燥单元和第二干燥单元，所述第二干燥单元的压力小于第一干燥单元，再生单元包括串联的第一再生单元和第二再生单元，所述第二再生单元的压力大于第一再生单元。

第一干燥单元可以设置在第二干燥单元的上方，也可以设置在第二干燥单元的下方。

第一再生单元可以设置在第二再生单元的上方，也可以设置在第二再生单元的下方。

本发明的第一干燥单元和第二干燥单元之间设置调压装置，所述调压装置的方向为：从第一干燥单元到第二干燥单元减压；第一再生单元和第二再生单元之间设置调压装置，所述调压装置的方向为：从第二再生单元到第一再生单元减压，使得第二再生到第一再生单元通道畅通，同时压降降下。

所述串联的干燥单元和再生单元之间设置有供再生气从第一干燥单元进入第二再生单元的通路和供再生气从第一再生单元进入第二干燥单元的通路。

干燥单元上可以包括其它更多的次级单元，例如第三干燥单元、第四干燥单元，按照现有技术的连接方法进行连接，如串联或并联到第一和第二干燥单元。

再生单元内可以包括其它更多的次级单元，例如第三再生单元、第四再生单元，按照现有技术的连接方法进行连接，如串联或并联到第一和第二再生单元。

安装时，第一干燥单元可以视情况安装在第二干燥单元的上方或下方或旁侧，第一再生单元可以视情况安装在第二再生单元的上方或下方或旁侧。

在本发明的一个实施例中，吸附干燥装置由干燥单元和再生单元组成，即通常所说的双塔式。其中干燥单元由串联的第一干燥单元干燥器和第二干燥单元干燥器组成。再生单元由串联的第一再生单元干燥器和第二再生单元干燥器组成。调压装置为减压调节阀和单向阀。干燥单元进行吸附，再生单元进行解吸。气体交替流经两个充满吸附剂的塔式容器(即干燥单元和再生单元)，一塔(即干燥单元)在工作压力(高水气分压)状态下吸附时，另一塔(即再生单元)则在受热状态下(TSA法)解吸，然后按所设定的程序切换两塔交替工作。

使用时，利用中抽再生气，通过减压调节阀和单向阀的控制，使经上段吸附器干燥的再生气可在减压调节阀前抽出，逆向再生另一组吸附器，再经冷却器和水分离器后，又回到减压调节阀后，继续进入下段干燥器干燥后作为产品气排出。再生后的冷却分离使系统干燥过程中的水，可在分离器内作为游离水排出，而后再生气又回到吸附器中，从而实现了再生气不需放空的目的。

本发明的干燥单元和再生单元可以进行切换。例如但不局限于，两组的切换可通过并联的12个二通阀(或相应的三通、四通阀)的启闭来实现手动或自动切换。自动切换时，例如，装置的工作顺序及工作时间由控制器自动控制完成。

本发明的吸附式干燥装置可以按照本领域技术人员的熟知技术依据以下相关条件与选择性参数进行计算，最终确定吸附剂装填量和结构。例如按照以下条件进行设计：

现场条件--环境温度，系统配置

进口工况--压力，温度，流量

出口工况--露点，压力损失，有效供气量

运行条件--露点控制方式，供需平衡

选择参数--吸附剂种类，动态吸附量，工作周期，安全(富裕)系数，空塔流速，

接触时间，再生气回流比，加热器功率，时间程序等。

例如，进气压力0.4MPa，进气温度25℃，露点-10℃(或以及依据不同再生方式确定的回流比进行设计。当干燥器在规定工況下运行时，其效率将会得到最大程度的发挥。只要技术人员按照公知常识依据自身的处理气量与需求，选择相适应的参数，就可获得所需品质要求的干燥气体。

在干燥器进气口前可以设置除油过滤器，以降低进入干燥器的气体含油量。

在本发明的一个实施方案中，由于将干燥单元和再生单元中的吸附器进行分段，例如分为上下两段，中抽再生气，设置减压调节阀和单向阀来实现闭路循环。再生气量可调节，特别适用于易燃有毒、高纯气体的吸附干燥，可达到节能降耗，安全、方便以及可靠，干燥效果好。

同时，合理的通气通道保证了稳定一致的压力和露点；确保气流均匀通过干燥剂层，消除沟流现象；并且使气体与干燥剂的接触时间较长，满足成品气的露点要求。

调压装置

发明的第一干燥单元和第二干燥单元之间设置调压装置，第一再生单元和第二再生单元之间设置调压装置。

在本发明的实施例中，调压装置是一个或多个调压减压阀，其作用是调节和降低干燥的压力。

较佳地，所述调压减压阀还并联一个或多个单向阀，其作用是使再生气尽可能在压降晓的条件下顺利通过。

加热器

本发明设置加热器。加热器可以是电加热式或蒸气式加热器等。加热器设置在再生气进行逆向流动的通道上。例如，加热器安装在再生单元上游或旁侧等。

联用

本发明的吸附干燥方法可以和其它方法进行结合使用。

本发明的吸附干燥装置也可以与其它装置进行联用，以达到更好的干燥效果。例如，在待处理空气含湿量高，且对处理后空气的含湿量要求严格的场合，常采用冷冻干燥与吸附干燥组合的干燥系统，前者为后者的前级处理，这样相应减轻吸附干燥的负荷及容量，并确保所需要的干燥深度，具有较好的效果。

(1)对空气压力露点要求大于等于2℃的系统，通常采用冷冻干燥工艺，反之，则采用吸附干燥工艺；

(2)对空气处理量大，且含湿量高的系统，结合用户要求，进行能耗、装置一次费用等技术经济比较后确定是采用冷冻干燥工艺，还是采用吸附干燥工艺或冷冻、吸附干燥组合工艺。

本发明与现有技术比较有以下特点：

一.无再生气放空，经济性好。

二.无安全隐患，无易燃易爆气体的排放。

三.环保，无有毒有害的气体排放。

四.无增压机，省去了增压机所带来的维修等问题，节能降耗。

五.产品干燥度高。

六.自动化程度高，开启方便快速。

七.特别适用于氢气、一氧化碳、甲烷、天然气等易燃有毒气体和各种高纯气体的吸附干燥处理。

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于重量，除非特别说明。

实施例1

本发明的原料气Q1为：水电解制氢经除氧、水后制的高纯氢，所述原料气Q1的进气量为10～500Nm³/h，温度为35℃，压力为0.8MPa。

如图1所示，10～500Nm³/h的露点为35℃下的原料气Q1进入第一干燥单元1的进口1a，在第一干燥单元1中进行吸附干燥。在第一干燥单元的出口1b得到露点为-70℃的吸附干燥气体Q2。

吸附干燥气体Q2的30体积％部分作为再生气Q21。再生气也可以是5—50体积比％。余量70体积％的气体Q22经过调压阀F1进入第二干燥单元2的入口2a。同时和调压阀F1并联的为单向阀F3。在进入调压阀之前，Q22的压力0.75MPa。经过调压阀减压，Q22的压力为0.6MPa。

再生气Q21通过通路L1进入第二再生单元4的进口4a。通路L1供再生气Q21从第一干燥单元1进入第二再生单元4。也即，再生气Q21未进入调压减压阀F1，而是在进入F1前抽出。再生气Q21的初始压力即为第一干燥单元出口1b的压力为0.75MPa。再生气Q21通过阀门F9进入加热器5(加热器5的上口5a连通阀门F9，下口5b连通第二再生单元4的进口4a)后，再经过阀门F14逆向流入第二再生单元4。逆向的含义是：再生气Q21的流动方向和再生单元3、4作为干燥器使用时气体的流动方向相反。第二再生单元4的进口4a的压力为0.72MPa。

Q21在第二再生单元4进行再生以后，进入第一再生单元3然后通过通路L2到达第二干燥单元。通路L2供再生气Q21从第一再生单元3进入第二干燥单元2。也即，气体Q21通过第二再生单元4的出口4b排出后，此时阀门F2和阀门F10关闭，气体Q21通过单向阀F4进入第一再生单元3的进口3a。气体Q21在第一再生单元3中进行再生后，通过开启的阀门F8(此时阀门F7关闭)进入冷却器6。冷却器6的下游设置分离器7。气体Q21通过开启的阀门F11进入第二干燥器2的进口2a。此时，气体Q3和Q22进行合并而进入第二干燥器2。

I、II两组的切换可通过并联的12个二通阀F5—F16(或相应的三通、四通阀)的启闭来实现手动或自动切换。阀门切换，再生加热，游离水排放均可手动或自动进行。

在第二干燥单元2干燥后进行收集得到产品气Q4；

产品气Q4干燥后的露点为-80℃D.P.。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1、一种吸附干燥方法，包括干燥步骤(A)和再生步骤(B)，其特征是，

所述干燥步骤(A)中采用串联的第一干燥单元(1)和第二干燥单元(2)，所述第二干燥单元(2)的压力小于第一干燥单元(1)；

所述再生步骤(B)中采用串联的第一再生单元(3)和第二再生单元(4)，所述第二再生单元(4)的压力大于第一再生单元(3)；

且所述方法包括以下步骤：

(A)干燥步骤：

(A—1)含水原料气(Q1)在第一干燥单元(1)中进行吸附干燥后，得到吸附干燥气体(Q2)；

(A—2)步骤(A—1)的吸附干燥气体(Q2)的部分气体作为再生气(Q21)进入第二再生单元(4)，余量部分气体(Q22)在第二干燥单元(2)干燥后进行收集得到产品气(Q4)；

(B)再生步骤：

(B—1)步骤(A—2)得到的再生气(Q21)逆向流动依序进入第二再生单元(4)和第一再生单元(3)进行再生，分离出游离水后，得到初步除水的再生气(Q3)；

(B—2)步骤(B—1)中的除水的再生气(Q3)重新回到第二干燥单元(2)与第二干燥单元(2)的进气(Q22)合并后干燥得到产品气(Q4)。

2、根据权利要求1所述的吸附干燥方法，其特征是，步骤(B—1)中再生气(Q21)在逆向流动时进行加热，加热的温度为30—600℃。

3、根据权利要求1所述的吸附干燥方法，其特征是，所述步骤(B—1)中再生气(Q21)中的解吸出的水份采用冷却法冷却，进而分离出游离水

4、根据权利要求1所述的吸附干燥方法，其特征是，干燥步骤(A)和再生步骤(B)可以互相切换，即第一干燥单元(1)和第二干燥单元(2)作为再生单元，而第一再生单元(3)和第二再生单元(4)作为干燥单元。

5、根据权利要求1所述的吸附干燥方法，其特征是，

步骤(A—2)或(B—2)中的所述产品气(Q4)的露点为-40℃～-90℃，和/或

步骤(A—1)中的所述原料气体(Q1)的工作压力为0.03～16Mpa。

6、根据权利要求1所述的吸附干燥方法，其特征是，所述原料气体为易燃易爆有毒气体或高纯气体。

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