CN102107110A

CN102107110A - 模块化紧凑吸附床

Info

Publication number: CN102107110A
Application number: CN2010106016185A
Authority: CN
Inventors: C·E·切利克; M·W·阿克利; J·斯莫拉雷克
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2011-06-29
Also published as: WO2011087554A1; CA2784982A1; MX2012007445A; BR112012015143A2; US8268043B2; US20110146487A1; EP2516038A1

Abstract

模块化紧凑吸附床，用于吸附基气体分离工厂。气体分离工厂中的传统吸附床被形成吸附床结构的多个相连的模块化吸附床单元所取代。与从传统的吸附床所获得的相比，本发明的模块化吸附床单元提供了每单位体积的吸附材料具有更高的产品能力（即增大的吸附剂利用率）。模块化设计所需的构造成本更低；更易于运输；具有更低的维修要求；并且更易于装载吸附材料。

Description

模块化紧凑吸附床

技术领域

本发明总体涉及吸附床领域，尤其涉及用于气体分离工艺中的吸附床。更具体来说，本发明涉及模块化紧凑吸附床单元，其能够被组合来提供用于吸附基的气体分离工艺中的全尺寸吸附床结构。

背景技术

使用吸附床的气体分离工艺在本领域中众所周知。典型的吸附基工艺包括这些：其中在多组分供气内的一种气体组分被选择性吸附。比较关心的是循环工艺，其中被吸附的气体在逆向气流中被从吸附材料去除，例如压力摆动吸附（PSA）、真空摆动吸附（VSA）和真空压力摆动吸附（VPSA）工艺。在最近这些年中，这些工艺已经有显著进展，对吸附材料、吸附床和总体工艺参数和控制都有改进。竞争的市场压力已经不断地驱使这类工厂的构造和操作成本降低，通过减小床的尺寸以及使零件标准化来降低与设计、建造、运输和操作这类工厂相关的成本已经变得非常重要。模块化和紧凑吸附床结构可以减少吸附材料总量、工厂设备例如工艺容器和缓冲罐的尺寸以及包括滑道尺寸的总的工厂占地面积。更小的滑道又降低了运输和安装成本。

但是，如果不显著降低工厂的产量通常就很难减小吸附床结构的尺寸。床几何形状以及工艺参数的改变带来了另外的挑战，例如合适设计床或容器的形状，合适分配气流，控制空隙体积，吸附剂装载和容纳限制，以及以更快速率运行工厂组件。浅床（具有减小的床深度）以更快的循环运行。

因此，希望设计用于吸附基气体分离工艺中的新吸附床，其被模块化并且尺寸更小；所需构造成本更低；更易于运输；具有更低的维护和修复要求；并且更易于装载吸附材料。还同等重要的是设计这样的吸附床系统，其不但更小或至少具有更小的占地面积，而且不会负面影响工艺气流、循环速度、生产率和体积以及总的工艺能量要求。

美国专利No.6533847公开了一种吸附床装置以用多个V形吸附元件去除空气传播的污染物，吸附元件具有两层吸附剂、壳体和垫圈部件。

美国专利No.6802889公开了快速循环PSA系统、工艺和设备，设计用于低空隙体积、比较短的床的长度和快速循环，并且使用更细的吸附剂颗粒。该单元具有小的产品产量和小于10的纵横比（L3/V_床），其中L是床深度，V_床是床体积。

美国专利No.7122073公开了低空隙压力摆动吸附系统，包括至少一个含有吸附剂的密封容器。入口和出口的空隙体积被限制为小于吸附床体积的20%。

美国专利No.4969936公开的气体过滤系统具有高压间，高压间具有入口、出口、顶部和底部以及在高压腔内的V形壳体，壳体具有多个允许气体流动的孔。该过滤系统具有用于过滤大量空气的模块化设计。

美国专利No.6436175公开了模块化吸附PSA或VPSA工厂，包括一个或多个可运输的货物集装箱，其容纳各种吸附床和泵设备。该工厂设计成用于不超过3巴绝对压力以及近似于环境压力的小的绝对压力摆动（即低压力吸附工艺）。该专利还教导了限定单个吸附床的矩形容器设备的细节。

现有技术的教导都没有描述本发明的模块化紧凑设计。

在吸附基气体分离工厂中使用模块化和/或紧凑吸附床结构可以实现显著的基建费用节省。在本发明中，术语“模块化”指将传统床的给定正面流动区域重新构造为安装入壳体中的更小更能控制的分段，其中每个床单元或模块更容易装载吸附材料，更容易在壳体中处理和/或替换，并且总体上提供了整体吸附床结构的设计上的更大的灵活性。同样，术语“紧凑”在本发明中指，当工艺快速循环时，通过减小用于给定供给流所需的吸附剂体积（通过减小床的深度），对工艺提供强化的分段或单元。在本发明中，用多个模块化吸附床单元来代替气体分离工厂中的传统充填床。包含吸附材料的个体模块化吸附床单元被组合来构造全尺寸吸附床结构或具有用于具体工厂要求所需的尺寸和维度的容器。当模块化吸附床单元也被制成紧凑时，由于所需吸附材料的量减少，可以获得额外的节约和设计灵活性。

根据所使用的具体模块化单元，本发明的一个好处是：吸附床结构的总能力可以通过简单地包含更多或更少的模块化吸附床单元而增加或减小，即不同产品能力的工厂要求总体相同的吸附床结构，但根据所需供给和产品流来选择模块化吸附床单元的数目。这种模块化和/或紧凑床还允许更大的灵活性来使吸附床要求匹配具体的吸附材料效率和具体工厂的输出要求。

本发明的吸附床结构还一起带来模块化紧凑设计的这些优点：利用了小的入口空隙体积、大的床正面面积以及短的床深度（转移长度）。它把这些因素一起带入了模块化和可伸缩吸附床和容器设计，所需吸附剂总量降低、工厂设备更小并因此尺寸更小。与从传统充填床所获得的相比，紧凑结构还提供了每单位体积的吸附材料具有更高的产品能力（即增加的吸附剂利用率）。通过任选地提供与较短的床深度结合的非常大的流动面积（正面面积）以促进优选循环工艺中的更快的循环，本发明可以显著降低吸附床中的压力降。

发明内容

本发明提供了一种用于吸附基（adsorption-based）气体分离工艺中的吸附床结构的新颖模块化紧凑设计并且特别适用于循环工艺例如压力摆动吸附（PSA）、真空摆动吸附（VSA）和真空压力摆动吸附（VPSA）工艺。模块化紧凑设计由个体模块吸附床单元构成，其可以相连、层叠或以其它方式结合以形成可变尺寸和形状的吸附床结构。如上所述，在吸附基气体分离工厂中使用模块化和紧凑吸附床单元可以实现显著的基建费用节省。模块化紧凑设计产生更小的模块化吸附床单元，与大体积的传统吸附床相比，其能够使吸附材料装载更容易。根据需要，模块化紧凑设计还利于增加床的正面面积并减小床的深度。

根据本发明，用包含多个模块化吸附床单元的模块化紧凑吸附床结构来代替气体分离工厂中使用的传统充填吸附床。与从传统充填吸附床所获得的相比，这些模块化吸附床单元提供每单位吸附材料体积具有更高的气体产品能力（即增大的吸附剂利用率）。通过使用更短的床深度以及任选增加的流动面积，它们还提供了通过吸附床结构的显著减小的压力降。

本发明的完全组装的吸附床结构由多个模块化吸附床单元构成。模块化单元装配入合适的外壳或壳体以形成吸附床结构。本发明涵盖由多个模块化吸附床单元构成的吸附床结构以及模块化吸附床单元自身。

在一个实施例中，提供了一种吸附床结构，包括：

a) 具有入口装置和出口装置的封闭壳体，

b) 在所述壳体内的多个模块化紧凑吸附床单元，每个单元包括封闭在周边侧壁内的两个基本平行相对的可透气面，周边侧壁连接于所述面，其中模块化吸附床单元之间的距离等于或小于模块化吸附床单元深度的一半，

c) 紧密充填在所述单元内的吸附材料，具有小于40%的颗粒间空隙率，

d) 与每个单元的一个面相邻的供给通道，

e) 与每个单元的相反面相邻的产品通道，

其中产品气体通过入口装置流入壳体穿过吸附床单元并通过产品通道流至出口装置离开吸附床单元，以及

包含供给通道和产品通道的吸附床单元之间的距离等于或小于床深度的一半并且每个吸附床单元的入口空隙体积比小于30%。

在另一个实施例中，提供了一种循环吸附基气体分离工艺，用于从多组分供气中去除至少一种可吸附气体组分，包括将供气传送通过吸附床结构，该吸附床结构包括：

a) 多个模块化紧凑吸附床单元，每个模块化单元具有两个相对的可透气面，所述两个相对的可透气面封闭在围绕所述面的周边的四个不透气侧壁内，

b) 紧密充填并且保持在所述面和侧壁内的吸附材料，

c) 邻近模块化吸附床单元的一个面的供给通道和邻近同一模块化吸附床单元的相反面的产品通道，

d) 壳体，具有：接收供气的供给入口；将供气分配给产品通道的供给集管；以及从产品通道接收产品气体的产品出口和产品集管，

其中壳体封闭多个模块化吸附单元、供给通道、产品通道、入口集管和产品集管，并且总的空隙体积比（void volume ratio）小于30%。

在又一个实施例中，提供了一种模块化紧凑吸附床单元，能够在气体分离工艺中从多组分供气中选择吸附一种可吸附气体组分，该模块化紧凑吸附床单元包括大致矩形箱形状，具有两个相对的可透气正面和围绕所述正面的周边的四个不透气的侧壁，所述两个相对的可透气正面封闭在所述四个不透气的侧壁内，其中吸附材料紧密充填在吸附床单元内，吸附材料具有小于40%的颗粒间空隙率（inter-particle void fraction）。

附图说明

为了更加全面地理解本发明，应当结合附图来参照以下的具体实施方式，其中：

图1示意性示出了本发明的一个模块化紧凑吸附床单元；

图2示意性示出了本发明的大致矩形模块化吸附床单元；

图3a示出了图1中使用的模块化紧凑吸附床单元的结构，图3b示出模块化紧凑吸附床单元的替代性结构；

图4是用于包围多个使用图3b所示结构的模块化紧凑吸附床单元的径向壳体的顶部视图；以及

图5a示意性示出了壳体的等距视图，图5b是壳体的剖开视图，该壳体用于包围多个图1所示的本发明的模块化紧凑吸附床单元。

具体实施方式

本发明涉及模块化紧凑吸附床结构和工艺，采用模块化紧凑吸附床单元并用于包括但不限于PSA、VSA和VPSA循环过程的气体分离工艺。在此所用的术语“模块化吸附床单元”或“模块化单元”是个体单元，包含具有吸附材料的吸附床并设计成与一个或多个其它模块化吸附床单元相组合。在此所用的术语“吸附床结构”是完全组装后的床或容器结构，由多个个体模块化吸附床单元构成。吸附床结构通常包括容纳模块化吸附床单元的壳体部件。在此所用的术语“正面面积（front area）”是模块化单元的透气侧壁之一的表面面积。在此所用的术语“床（的）深度”是包含吸附材料的吸附床的深度，沿经过床的气流方向测量。床的深度在本领域有时也称作床的转移长度或床的长度。在此所用的术语“吸附材料”指粒状吸附材料，物理形式为圆柱形球、球状珠、压碎的颗粒或常用于吸附工艺中的例如合成或天然的沸石分子筛、活性炭、活性氧化铝、硅胶等类型的任何聚集物。用于“传统”吸附工艺所需的循环时间取决于具体的分离和吸附剂。在此所用的术语“快速循环”指相对于其传统工艺构造已经被强化（更小的吸附床深度、更快的循环）的循环吸附工艺。例如，使用N₂选择性沸石产生90%或更高纯度的O₂产品的传统两床吸附空气分离工艺通常具有1.0m或更大的床的深度并且总的循环时间大于30秒（s）。强化或更快循环的空气分离工艺将是这样一种工艺：循环时间（吸附或脱附）小于30s，床的深度减小与循环时间减小的比例近似相同，例如15s的循环具有0.5m的床的深度。

吸附工艺已经被广泛用于分离或净化气体。典型的基于吸附的工艺实例，并且是本发明的最优选的使用，为循环单床VPSA工艺。在操作过程中，多组分供气例如空气被引入吸附床结构的供给侧，多组分供气的可吸附组分例如氮气优先被床中的吸附材料所吸附，组分减少的气体产品例如氧气被回收。在循环的脱附部分，气体流被反向以从床中的吸附材料去除或脱附被吸附的气体组分。脱附的进行通常与压力减小和/或温度升高相结合。吸附/脱附循环然后被重复。

本发明的模块化紧凑吸附基床和方法使用的吸附床结构包含多个，至少为两个，模块化吸附床单元。每个模块化单元具有包含在其侧壁内的吸附床，该吸附床具有小的深度和大的床正面面积以促进吸附/脱附。该设计的几何形状称作紧凑或浅床。浅床允许更短的吸附循环以获得最大的吸附剂利用。浅床每单位产品使用更少的吸附材料，从而导致更低的压力降、更小的处理容器、更小的工厂设备和更小的滑道（skid）尺寸，所有这些又导致基建费用和运输成本的节省。更大的正面面积允许更低的流速并因此可以任选地用于降低进一步通过模块化单元和吸附床结构的压力降，从而转变为额外的操作成本节省。通过床的更低的流速还改进了吸附转移速率。

紧凑的浅床设计以更快的循环操作强化了吸附/脱附工艺，与从传统的充填床所获得的相比，导致了增加的吸附剂利用（每单位体积吸附材料增加了产品）和通过吸附床的减小的压力降。重要的是通过控制流动通道设计和通过最小化入口空隙体积空间，即在模块化吸附床单元的入口侧上的空隙空间，还在浅床中获得了均匀的气体流分布而避免了气体流的不均匀分布。当速度分布均匀时就在模块化吸附床单元的入口面上获得了良好的流动分布。这种状态受入口空间的尺寸和几何形状包括入口空隙体积的影响。如本领域所众所周知，可以使用计算流体动力学（CFD）技术来预测流动分布。

每个模块化单元设计成引入浅床设计，如下更加全面的描述。基于连续方程，对于给定或固定的物质流，流速与流动面积（正面面积）成反比，由于正面面积增加而减小的速度直接转换成了模块化吸附床单元上的压力降的减小。由于模块化吸附床单元上的压力降所造成的能量损失包括粘性和动力学项，参见众所周知的Ergun 方程（S.Ergun, “Fluid Flow Through Packed Columns”, Chemical Engineering Progress, Vol. 48, No. 2, pp.89-94 (Feb. 1952)）。粘性项与速度成比例而动力学项与速度的平方成比例。另外，对于给定的吸附剂体积，面积增加会导致床深度的相应减小。由于压力降直接与床深度成比例，面积增加和床深度减小的组合效果等于总压力降的减小，其大致与速度减小的平方成比例。

将具有特定床深度（床转移长度）D和床正面面积A的传统吸附床与具有相同的床正面面积A，但具有例如短十倍的（0.1D）的床深度的浅床进行比较。浅床需要运行的吸附循环比传统床快近似十倍。虽然相对于传统床可以有利地增加正面流动面积，但并非总是如此，因为经常需要维持通过床的最佳流动以获得模块化单元的最佳产品能力。但是，由于床深度减小，浅床强化总是提供压力降减小。

由于紧凑浅床具有短的深度和较大的流动面积，优选吸附材料被紧密充填。重要的是保持吸附材料的均匀和紧密的充填以获得通过床的均匀流动并最小化沟流。壁处的沟流会严重降低吸附材料和系统的性能。如专利GB606867中以及W.E Gross等所描述，可以使用重力辅助填充方法来实现吸附剂的紧密均匀充填，其中吸附剂从特定高度沿垂直于床的深度的方向落下，穿过一系列丝网，并填充入封闭的床体积中（W.E.Gross, J.C.Goshorn, “An Instrument for Determining the Volume and Bulk Density of Granular Materials”, ASTM Bulletin,pp.55-59 (Mar.1948)）。利用这种方法可以实现床中的吸附剂颗粒的紧密充填，颗粒间的空隙率小于40%，优选37%或更小。“床的空隙度”或床的空隙率（ε_B）可以描述为在粒状材料的充填过程中形成的颗粒间空隙空间的百分比，如下面的方程所描述：

ε_B=1-ρ_B/ρ_P

ρ_B是吸附床中的吸附剂的充填堆积密度（packed bulk density）并且通过直接测量吸附剂的量和所充填的床体积来确定。ρ_P是吸附剂的平均颗粒密度，由本领域熟知的水银孔率法或其它合适的方法来确定。可以通过施加合适的装载方法来最小化颗粒间空隙空间以获得紧密的充填。如US5324159所示，如果被紧密充填，颗粒密度为1.01 kg/m³（63 lb/ft³）的吸附剂将产生0.673 kg/m³（42 lb/ft³）的充填堆积密度且空隙度为33%（ε_B）；或者如果被松散装载，将产生0.609 kg/m³（38 lb/ft³）的充填堆积密度且空隙度为40%。本发明的模块化单元将具有已经被紧密充填的吸附材料以具有小于40%并优选小于37%的颗粒间孔隙率。

未被紧密充填或装载的床在操作过程中会经历逐步沉降。这种沉降会导致通过床的不均匀的流动并在最坏的情况下甚至导致吸附材料的沟流（channeling）或旁绕（bypass）。紧密填充方法最小化或完全避免了这些不希望的情况。由于通过床的重复循环流动所造成的吸附剂的一些损耗会形成额外的空隙和通道。通过约束吸附剂，例如使用在模块化单元的填充端的顶罩下面的弹簧和固体压力板的组合，可以避免这些情况。在弹簧的影响下压力板会移动以压缩床并封闭会在床内或沿着模块的壁所形成的任何堆积空隙或间隙。通过在床的顶部上放置加压气囊也会获得同样的效果。

如前所述，吸附工艺尤其是PSA、VSA和VPSA类型的系统中的高入口空隙体积比降低了工艺的总效率。“空隙体积比” 在此定义为供给侧或入口空隙体积（例如供给管、供给集管和供给通道）与吸附剂体积之比，其包含吸附材料内的颗粒间的空间。空隙体积比是系统低效的测量方法，因为入口空隙体积在供给步骤中填充有加压气体，此后该气体在脱附过程中被放弃，由此产生了功率损失。更短的循环时间和更浅的床增加了入口空隙体积对工艺的不利影响。高空隙体积比还不利地影响了工艺性能，降低了回收和生产能力以及增加了能量消耗。周期越短，空隙体积比对工艺性能的影响越为不利。因此，在短周期循环工艺中，空隙体积比成为重要的因素，在吸附床结构中优选小于30%的小空隙体积比。

用多个浅床吸附床单元来替换传统的充填床会增加与相同的正面面积相关的空隙体积。因此，与传统床相比，浅床倾向于具有更大的入口空隙体积与床体积比，因此增加了能量消耗并且降低了吸附工厂的效率，除非采取手段来克服该效果。在紧凑模块化设计中，集管和流动通道必须设计成很窄或体积小或以其它方式受到限制。但是，非常小的流动通道会通过限制流动和/或增大压力降而负面影响效率。本发明的吸附床结构即减小了入口空隙体积和压力降又同时保持了良好的流动分布。吸附床结构设计成在模块化吸附床单元之间具有足够的通路和间隔以提供具有充分流动的供给和产品通道，但宽度不大于整个床的深度。为了最小化入口空隙体积空间，含有供给和产品通道的模块化吸附床单元之间的距离优选等于或小于床深度的一半，并且最优选尽可能小。如果需要更多的空间以便于在壳体中安装吸附床单元，可以用惰性材料例如陶瓷球来填充供给入口空隙。另外，可以这种方式来实施本发明，其中产品集管体积优选小于供给集管体积的25%，最优选小于20%。这是有利的，因为在每个生产步骤结束时保留在产品集管中的产品会更少。

图1是本发明的一个实施例，示出的吸附床结构1包括壳体11，壳体11由六个模块化吸附床单元8构成。根据工厂的产品产量需求或其它尺寸要求，可以使用增多或减少数量的模块化吸附床单元。多组分供气通过供给入口2被引入并且流入供给集管4，在此其被均匀地分配，以近似相等的体积和压力流过多个供给通道6并流入模块单元8。被除去至少一种被吸附气体组分的产品气体通过产品通道7离开每个模块化单元8并与均匀地（即也以近似相等的体积和压力）离开其它产品通道的产品气体混合。通道分隔壁9将模块化单元之间的整个通道通路分为两个分离侧，即供给通道6和产品通道7，以使供气和产品气体不会混合。供给通道6在吸附之前接收供气，产品通道7移去组分已被除去的产品气体，其中更容易被吸附的气体组分已经被去除。通道6、7在其最宽处的宽度不大于模块化单元8内的总吸附床深度。总体指导思想是，希望将含有供给通道6和产品通道7的模块化吸附床单元8之间的距离限制为吸附床深度的一半或更小。确定最终尺寸来最小化供给入口空隙并提供均匀的流动分布。

在该实施例中，每个吸附床单元8具有一个供给通道6和一个产品通道7。在吸附床壳体11的外端上示出的分隔壁只是用于方便制造并且可以被去除，或者可以被保留以在添加更多的模块时扩展床。任选地，如果需要，壳体11的远端上的端板也可以被去除，或者通路被变窄（未示出）。被除去组分的产品气体通过产品通道7离开模块化单元8并与产品集管5中的其它产品气体混合以形成整个产品气体流。产品气体流通过产品出口3离开产品集管5并被回收。供给入口2和产品出口3连接于吸附工厂中的必要的管道系统和阀以在传统的吸附工艺中运行供给、产品和回流。

在循环过程中，所有气流的方向在脱附步骤被逆反。图1所示的流动箭头可以被反向以更好地理解脱附步骤中的气流。在脱附步骤中，保留在容器空隙空间中的气体以及吸附在吸附剂内的气体沿与供给流的方向逆流（相反）的流动方向被去除。可以在大气压以上或以下的压力下，或者有或无正压吹扫气体下执行这种脱附步骤。如果使用吹扫气体，则通过产品出口3来供应。本领域技术人员熟知，吸附和脱附步骤可以在连续重复的完整循环中与其它步骤例如增压、均匀化等相组合。

虽然在此描述的本发明被用于PSA、VSA或VPSA快速循环工艺中，但本发明可用于使用吸附材料来分离或去除一种或多种气体组分或净化气体的任何固定床吸附基气体分离工艺中，其中保持在吸附材料中的气体必须被脱附或以其它方式被去除。虽然优选，但本发明并不局限于循环工艺。合适的循环工艺实例包括氧VPSA系统、氢PSA系统、PSA和热摆动吸附（TSA）空气净化系统、CO2 VPSA系统、氮PSA系统和乙醇脱水系统。其它吸附剂基气体分离工艺可以包括用于分离气体例如氢气、氩气和二氧化碳以及用于去除水的工艺。最优选其中氧气和氮气被分离的VPSA空气分离工艺。

图2示出的吸附床单元具有大致方形设计，形状类似具有大的正面面积的扁平箱。箱形模块化吸附床单元20具有由箭头21表示的短的床深度和两个相对的方形正面22，但仅示出了一个面。可以理解，优选正面22将是大致平行结构。每个正面22是可透气表面，能够允许气体轴向流动而使吸附材料保持在典型的充填结构（未示出）中。模块化单元内的吸附材料也称作吸附床。两个相对的正面22都被封闭在四个垂直定位的侧壁内，其中仅示出了两个侧壁（23和23a）。任选地，一个侧壁23可以设计成更大以在插入壳体（未示出）时形成将模块化单元密封在壳体内的凸缘或可以包含其它密封模块化单元的装置。扁平箱形模块化单元20便于制造、模块化、标准化和吸附剂装载，还降低了成本。

再次参看图2，模块化单元20内的床的最长尺寸由围绕正面22的一个或两个侧壁23所限定，而模块化单元的最短尺寸是吸附床的深度，对应于侧壁23的宽度，如箭头21所示。虽然示出的该实施例的模块化单元20为基本矩形箱，但宽度和长度不等的矩形面也足够了。箭头21代表吸附浅床的深度。模块化单元20的正面22的最短边应该是床深度的至少两倍，优选是床深度的至少5倍，最优选是床深度的10倍或更多。紧密充填的吸附材料被限制在模块化单元20内，该结构表示的基本思想为具有用于增强吸附工艺效率的大的正面面积和短的浅床深度（浅床）。

两个正面22通常由穿孔板和丝网或布筛（未示出）构成，但是也可以采用用于保持吸附材料的其它装置。侧壁23、23a是不透气的，工艺气体流不会通过侧壁进入或离开模块化吸附床单元。气体流沿大致轴向仅通过相对的两个正面44进入或离开该受限的吸附材料。在另一个优选实施例中，正面22的表面积大于所有侧壁的总面积。

类似于图2中所示的模块化吸附单元可以构造成或者配对成获得如图3a和3b中所示的两个完全不同的入口/出口流动路径。图3a表示图1中所示的设计，其中两个相邻模块单元8的相对正面之一用作供给入口而另一模块单元8的面用作产品出口，即相邻模块单元8的两个相对的正面之间的通道被不透气的隔板9所分开。或者，相同的模块单元8可以布置成如图3b大体所示，在图4的具体设计中，相邻模块单元8的两个相对的正面可以同时用作供给入口，每一个接受流入模块单元8之间的通道的供气流（或产品气流）的一半。同样，单个产品通道设置在两个相邻的模块单元8之间。相邻模块单元8的相对正面之间的共用通道以供给和产品通道的交替结构被设置，如图4所示，其具有径向结构的壳体。因此，如图所示，单个供给通道为两个模块单元8提供流动而单个产品通道从两个模块单元8运送产品。这两种基本模块单元结构，如图3所示以及图1和4中的实施例所代表，为构造壳体内的模块单元以及为最小化模块单元外部的空隙提供了许多选择方案。

根据所采用的工艺，可以使用大范围的吸附材料，如本领域所熟知。优选吸附材料可以是多孔颗粒材料例如分子筛。对于空气分离PSA工艺，吸附材料通常是熟知并且可商购的沸石分子筛材料。用在模块化吸附床单元内的吸附材料可以由单层材料构成，或者在使用氮选择性沸石的空气分离的情况下，优选为两层结构，即最接近供给入口的第一层去除水和CO₂并且第二层用作氮选择性吸附材料。但是，根据所需的吸附应用和工艺设计，模块化吸附床单元内可以充填有增加的层数，例如3或4层。

吸附材料可以是充填颗粒或者可以是单体吸附剂组合物形式的吸附结构。吸附材料也可以涂覆在蜂窝单元结构形式的薄板上，蜂窝单元结构具有足够的开放区域以允许足够的气流。

如图5a和5b所示，壳体11内的空间填充有模块化吸附床单元，每个模块化单元具有选择用于具体工艺的吸附材料。所示壳体11为大致矩形箱，具有分立的槽口来接收模块化单元并包括供给入口、供给集管、产品集管和产品出口。或者，一个或多个分立组件可以设计成容纳模块化单元和相关的气流部件（未示出），并且其可以被单独地构造并插入壳体11来作为分立的部件。再次参看图1，优选设置在模块化吸附床单元的相对两侧的供给和产品通道6、7是对称的并且为锥形以帮助气体均匀分配至模块化吸附床单元以及从模块化吸附床单元均匀分配气体。所示锥形角度是优选的并且优选在2°-20°之间，最优选为大约5°，其中供给通道6的入口尺寸和产品通道7的出口尺寸比图1中所示的封闭（相对）端要宽。

在所示实施例中，矩形壳体11是密封的以使流入和流出壳体的气流被限制于供给入口2和产品出口3。本领域技术人员显而易见，壳体11的外壁和用于密封该壁的装置必须设计成承受吸附工艺产生的所有结构应力。壳体11不被限制为所示的矩形，壳体11和模块化吸附床单元8可以是各种尺寸和形状。

本发明的模块化紧凑吸附床单元设计并构造成自容纳、完全抗压力和真空力，并且能够忍受气体分离工艺例如压力摆动循环吸附工艺的压力和温度变化。如前所述，吸附材料被紧密充填并且被保持在两个平行的正面之间，正面是多孔的并且通常由穿孔板和丝网或布筛构成以允许气体流入和流出吸附材料同时在模块化单元内容纳吸附材料。可以采用各种结构的容纳装置或充填约束，只要所用的容纳装置会将吸附材料牢靠地保持到位并允许工艺气体流过该床。由于紧密充填了床以及床被限制在模块化单元内的所有侧上，（与传统床相比）吸附材料的潜在流化得以消除。另外，可以在模块化吸附床单元内部在吸附材料层的顶部或底部上并且平行于侧壁之一放置在吸附材料上产生力的装置例如弹簧加载板或加压气囊（未示出）以对吸附材料施加连续压力并维持良好充填的床且防止旁流。

为了改善气流分布，供给通道的入口和产品通道的出口以及供给和产品集管可以设有流动分配装置例如挡板、导向叶片、网等。另外，如果需要平衡流动，则可以将可动叶片添加至供给和/或产品集管来控制各个成分流的速率。

本发明的一种额外好处是用最小的努力和停机时间来改变已经使用中的吸附工厂的吸附床结构的能力。每个模块化吸附床单元可以在野外被填充、安装或替换，被运送的新模块化吸附床单元可以已经充填有吸附材料并且可以随时安装。

实施例

设计如图1所示的含有多个模块化吸附床单元的吸附床结构并与能够生产相同量的气体产品的传统床进行比较。每个模块化吸附床单元8设计成扁平矩形箱，具有1.0m×1.0m (3.5ft×3.5ft)平方的正面床面积和0.2m（8.0in）的床深度，如图2所示。每个单元内的体积填充有吸附材料，气流通过相对的两个最大面进入并离开该吸附材料。没有气流通过其它四个表面流入或流出该单元。在吸附材料两侧上的供给和产品通道6、7是对称的并且是锥形，具有5°的锥度。每个供给和产品通道在入口或出口端附近更宽并且在封闭端更窄。

如图1所示，有六个模块化吸附床单元，具有相同的尺寸以提供所需产品产量。为了给供给和产品通道提供足够的空间，吸附床单元之间的间隙大约为0.13m（5.0in）。所有这些吸附床单元被置入矩形壳体，该壳体具有1.0 m×1.0m×2.0m (3.5ft×3.5ft×6.5 ft)的尺寸，如图5a和5b所示。

上述床单元结构提供增加的床正面面积和减小的床深度。这种床结构能够利用大约907kg(2000 lb)可商购的LiX沸石吸附剂来处理大约9500 scfm的空气以产生15 TPD的氧。使用传统吸附床来产生15 TPD的氧的相同吸附材料的量是大约3,400kg(7,500 lb)或更多，并需要3.35m(11ft)直径的容器。该比较性实施例清楚地示出了吸附材料总量、工厂占地面积、滑道和设备尺寸方面的节约。

本发明包括的吸附床结构可以用于各种吸附工艺包括同时吸附循环（单一供给）或非同时循环（复合供给）。多个模块化吸附床单元可以在例如单床、两床、三床或多床工艺模式的工艺中用于多个吸附床结构。吸附床结构的能力可以通过调节任一或所有模块化吸附床单元的高度和宽度以及安装在吸附床结构内的模块化单元的数量而变化。实际上，气体分离系统中的每个传统的吸附床或容器可以被本发明的模块化吸附床结构所替换。

本领域技术人员显而易见，本发明不局限于在此提供的实例，这些实例仅用于证明本发明的可操作性。本发明的范围包括落入所附权利要求的范围内的等同实施例、改变和变型。

Claims

1. 一种吸附床结构，包括：

a) 具有入口装置和出口装置的封闭壳体，

d) 与每个单元的一个面相邻的供给通道，

e) 与每个单元的相反面相邻的产品通道，

包含供给通道和产品通道的吸附床单元之间的距离等于或小于床深度的一半并且床的空隙体积比小于30%。

2. 权利要求1的结构，其中供给通道为锥形，具有气体进入供给通道的较宽端，并且产品通道为锥形，具有气体离开产品通道的较宽端，其中供给通道和产品通道是对称的。

3. 权利要求1的结构，其中产品通道比供给通道窄。

4. 权利要求2的结构，其中产品通道比供给通道窄。

5. 权利要求1的结构，其中一个面的表面积大于侧壁的总面积。

6. 权利要求1的结构，其中出口装置的体积小于入口装置的体积的25%。

7. 权利要求1的结构，其中吸附床单元之间的距离是床深度的一半或更小。

8. 一种用于吸附基气体分离工艺的吸附床结构，包括：

a) 箱形吸附床壳体，具有在壳体一侧的供给入口和在壳体相反侧的产品出口，并具有以基本平行的序列设置在壳体内的多个接收狭槽；

b) 在接收狭槽内的多个模块化吸附床单元，每个模块化吸附床单元包括封闭在垂直定位的不透气侧壁内的两个平行相对的可透气面，不透气侧壁密封所述面的周边；以及

c) 紧密充填在所述面和侧壁内的吸附材料；

其中供给入口通向供给集管，供给集管与邻近模块化吸附床单元的一个面的供给流动通道连通，产品流动通道与邻近模块化吸附床单元的另一面的产品集管连通，产品集管通向产品出口。

9. 权利要求8的吸附床结构，其中通道分隔壁位于供给通道和产品通道之间。

10. 权利要求9的吸附床结构，其中通道分隔壁位于模块化吸附床单元之间，在通道分隔壁的一侧形成供给通道，在通道分隔壁的另一侧形成产品通道。

11. 权利要求10的吸附床结构，其中供给通道为锥形，具有气体进入供给通道的较宽端，并且产品通道为锥形，具有气体离开产品通道的较宽端，其中供给通道和产品通道是对称的。

12. 权利要求8的吸附床结构，其中每个模块化单元的每个面的正面面积大于侧壁的总面积。

13. 一种循环吸附基气体分离工艺，用于从多组分供气中去除至少一种可吸附气体组分，包括将供气传送通过吸附床结构，该吸附床结构包括：

b) 紧密充填并且保持在所述面和侧壁内的吸附材料，

其中壳体封闭多个模块化吸附单元、供给通道、产品通道、入口集管和产品集管，并且总的空隙体积比小于30%。

14. 权利要求13的气体分离工艺，其中模块化吸附床单元以基本平行的序列设置，并且供气轴向移动通过每个模块化吸附床单元。

15. 权利要求14的工艺，其中吸附床单元之间的距离是床的深度的一半或更小。

16. 权利要求13的气体分离工艺，其中该工艺是以快速循环运行的PSA、VSA或VPSA工艺。

17. 权利要求16的气体分离工艺，其中该工艺分离空气以产生氧气。

18. 权利要求13的气体分离工艺，具有小于30秒的循环时间。

19. 一种模块化紧凑吸附床单元，能够在气体分离工艺中从多组分供气中选择吸附一种可吸附气体组分，该模块化紧凑吸附床单元包括大致矩形箱形状，具有两个相对的可透气正面和围绕所述正面的周边的四个不透气的侧壁，所述两个相对的可透气正面封闭在所述四个不透气的侧壁内，还包括紧密充填在吸附床单元内的颗粒分子筛吸附材料，颗粒分子筛吸附材料具有小于40%的颗粒间空隙率。