CN102166500B - 具有可动支撑的径向流反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有可动支撑的径向流反应器，特别是披露了一种径向流反应器容器用于气体净化、分离或反应过程，且特别适于用在预净化过程中；该反应器具有内部篮用于限制活性物质的床；篮刚性地支撑于反应器的顶部及底部端二者处，并且具有沿轴线柔性且沿径向刚硬的壁；容器具有多个可动支撑柱，它们被设计成便利了对柱预加应力以抵消从热循环诱发的轴向压缩负载。

Description

具有可动支撑的径向流反应器
技术领域
本发明大致涉及用在气体净化、分离及反应过程中的径向流反应器容器。更具体地讲，本发明涉及这样的径向流容器：其具有内部篮组件以保持住用来对在通过吸附和/或催化或非催化反应的原料流(或馈送流)中的一种或多种组分进行移除和/或转化的活性物质、且具有可动支撑柱。 
背景技术
针对各种与油气回收、代用燃料生产、环境可持续性及工艺排放相联系的工业工程，则对于较高反应器吞吐量或处理量的需求持续增长。这样的需求是部分地由不断增加的燃料成本以及对于各种化学原料的需求来加以驱动的。一个例子是对于较大的低温空气分离单元(ASU)的需求以满足对于用在各种工业过程工业中的大数量氧和氮的增长的需求。ASU需要前端净化反应器(吸附容器)，以通过移除二氧化碳、水、微量碳氢化合物及其它污染物在馈送空气流进入ASU之前对其进行净化。较大的ASU需要较大的“预净化单元”，因为它们公知地被用来在低温蒸馏之前对入流的馈送空气进行处理。这提出了当试图控制反应器大小时对反应器设计者的一种挑战，因为馈送空气的较高吞吐量需要比例增加由容器提供的前面流通面积，导致较大型、较为昂贵的容器。 
总所周知的是适用诸如吸附剂和/或催化剂这样的活性物质来实现气体净化、分离或反应过程，且当前有若干种反应器容器设计用于这些类型的过程。实例包括竖直地和水平地取向的圆柱形容器，其具有在净化、分离或化学反应期间穿过吸附物质、反应物和/或催化物质的床(或基层)的向上空气流。如本文中所使用的一种第三类型的容器，被取向为具有：一种竖直中心轴线或纵向轴线、和一种引导过程气体流沿径向通过床的内部设计。这种径向流设计包括一种压力容器，其围封着气体可渗透过的同心的内部篮和外部篮以包含一或多层活性物质的床。径向流设计提供了这样的能力：通过增加容器高度、 而不改变容器覆盖区域(地面面积要求)，来增加前面流通面积。此外，径向流设计提供了一种与水平或轴向流反应器设计相比增加流通面积的较为有效的装置。 
径向流反应器通常连续地或呈循环模式地运行，这取决于气体处理过程。许多过程，诸如吸附过程，以压力变动吸附(PSA)、真空变压吸附(VSA)、温度变动吸附(TSA)模式或这些模式的组合而循环地运行，其中在吸附步骤期间馈送流的一或多种组分被吸附、且随后在吸附剂再生步骤期间被解除吸附/脱附或者以其它方式从吸附剂冲洗掉。当热变动伴随着这些循环过程时，诸如在TSA过程中，温度变化导致床和容器部件由这样的热变动而接触以膨胀和收缩。取决于内部部件的配置，以及它们连接到容器的方式，这些热膨胀和收缩诱发的床内负载随后被传送到反应器的内部部件。这些热诱发负载在内部篮组件的所有元件上产生了显著的机械应力，这些诱发的负载的量值随着增加的温差而增加。篮壁的轴向和径向位置也可导致活性物质的床的压缩，并且由于篮壁移动，物质颗粒可迁移或受损。在最坏的情况下，这些效果可导致活性物质的物理分解和/或篮组件的机械失效。 
作为示例，在一种典型的热变动空气净化过程中较为全面地描述了与径向流反应器相关联的特定问题。有利的是：通过在吸附步骤期间将馈送空气引入到介于容器壳体与外部篮之间的最外通道内、以及通过在脱附步骤期间将再生气体引入到由内部篮围封着的通道内，来操作这样的反应器。因而，馈送空气通过朝反应器的中心轴线沿径向经过吸附剂床而得以净化。再生气体在相反方向上沿径向经过床以脱附污染物并使床复原以用于接下来的循环。基本上在环境温度的情况下发生了从馈送气体吸附污染物。使用热脉冲来执行再生，其中受热气体首先被引入一段特定时间、之后是冷的气体，其中冷的气体大致处于与馈送气体相同的温度。在再生的加热阶段期间，一种热前缘(heat front)展现于内部篮壁处、且然后向外地并径向地行进经过床。热前缘前方的床的部分保持接近环境温度，而已被热前缘横贯过的床的部分处于热再生温度。当这个热前缘达到位于床内的一种中间径向位置时，冷气体被引入内部篮空间。此气体当一种冷前缘展现于受热区后部处时被升温。当通过在床中对保留的污染物进行脱附而消 耗了所储存的能源时，所产生的热脉冲随后继续推动热前缘经过保留下的吸附剂。容器壳体和头部在循环的整个操作期间主要地保持处于环境温度，即，容器壳体的端部与热气体几乎不接触，在每个循环始终保持处于相对恒定的温度，并且因此保持固定于空间中。相反地，反应器的内部部件直接地经受这些温度变动，导致热膨胀和收缩以及相关联的诱发的负载和应力。 
反应器及其内部部件因此必须被设计成最小化并适应径向和轴向运动，从而使得在热诱发的负载和应力各处都保持了包含于篮中的活性物质以及篮组件的机械完整性。此外，热诱发的机械应力限制了常规的径向流反应器可工作的温度范围，并且这些限制随着反应器大小的增加而被放大、由此限制了反应器的大小和应用。 
因而，有显著的动机来改善径向流反应器的机械设计以实现较大操作可靠性、较低成本和有所增加的工艺灵活性，而同时仍限制反应器容器的总覆盖区域。此外，本反应器被设计成允许实现一种简易且有效的装置用于解决与热诱发机械应力相关联的问题并且由此能实施前述改进。 
相对于径向流反应器的设计，本领域中的教导是有所变动且与之不一致；特别是对于经受热循环的容器而言。常规的圆柱形反应器设计通常包括：至少两个同心多孔壁篮的内部组件，其具有包含于这些篮之间所形成的环形空间中的活性物质。篮和容器壳体大体共享同一纵向轴线。超越这些共性之外的是，这些教导在描述用来支撑篮组件的多种装置方面有显著差异。例如，篮要么仅从容器的顶端悬吊、仅在底端处受支撑、或者固定于容器的两端之间。 
美国专利No.4,541,851披露了一种具有两个同心层吸附剂的容器，每层包含于两个同心圆柱形格栅之间。三个圆柱形格栅是绕着与围封它们的容器相同的纵向轴线而同心的。中间格栅是沿轴向刚硬且沿径向柔性的，而内部和外部格栅是沿轴向柔性且沿径向刚硬的。所有这三个格栅在它们的上端处刚性地互连到容器壳体，并在它们的下端处刚性地互连到一种坚固浮动底板。这三个同心格栅的组件因而在容器里面从顶头部悬吊，从而使得格栅、底板和吸附剂物质的重量主要由轴向刚硬的中间格栅承载。中间格栅在轴向上伸展和收缩。柔性内部和外部格栅的轴向运动跟随者中间格栅的轴向运动。内部和外部 格栅在径向上伸展和收缩，并且当加热和冷却时在径向上交替地挤压和释放吸附剂床。中间格栅在床内径向地伸展/收缩，因为其在径向上是柔性的、且因此在吸附剂床上赋予了非常少的额外径向挤压力。 
美国专利No.4,541,851在第二实施例中披露了一种容器，其具有三个同心层的吸附剂和四个可渗透格栅。内部和外部格栅在轴向以及径向上都是刚硬的，且两个中间格栅在轴向上是刚硬的而在径向上是柔性的。所有这四个格栅在它们的下端处刚性地互连到壳体。在它们的上端处，所有四个格栅在轴向上自由旋转、且三个外部格栅能够在引导件上沿轴向滑动，而最内部的格栅终止于一种穹顶中，其能够在轴向上自由移动。两层或更多曾吸附剂可用在这种配置中。当热脉冲移动经过吸附剂床时，格栅交替地被加热和冷却。该设计允许每个格栅在轴向上自由地且彼此独立地伸展。因为两个中间格栅的周向挠曲度，径向挤压力被传送到所有三层吸附剂。与此设计相关联的另外的细节由纽约ASME的P.J.Kerney等人编辑的Cryogenic Process andEquipmet(1984)中的Grenier，M.，J-Y Lehman，P.Petie的“AdsorptionPurification for Air Separation Units”加以描述。 
美国专利No.5,827,485披露了一种包含被内部和外部篮限定的环形吸附床的容器。教导了包含在两个可渗透过的同心篮之间的单层吸附剂，这两个同心篮都是在轴向上柔性且在径向上刚硬的。至少一个篮刚性地紧固到容器的顶端。内部篮在其下端处刚性地连接到一种底部支撑构件、且进一步通过布置成星状的肋部而在下部被支撑在壳体的一种半球状盖上。篮的热膨胀系数相对于“自由流动的”活性物质或吸附剂的热膨胀系数的比率被主张为处于0.25至2.0的范围内。这教导了：特征的这种组合实质上排除了自由流动物质的颗粒由于篮的热循环而发生相对运动。也提出了：对至少一个篮的预加应力减少了由于热循环而在篮内发生的轴向应力，尽管没有提供对于用来预加应力的方法的描述。也由Reports on Science & Technology，54：8-12(1994)上U.von Gemmingen的“Designs of Adsorptive Dryersin Air Separation Plants”描述了另外的细节。 
美国专利No.6,086,659描述了一种径向流吸附容器，其具有多个格栅，其中至少一个格栅在轴向以及在径向上都是柔性的。此“双向柔性”优选地被赋予至少一个中间格栅。轴向/径向柔性/刚性的许多 组合被提供用于内部和外部篮。格栅被刚性地附连到容器的顶部以及底板。底板可以是浮动的或半刚性地或刚性地附连到容器底部头部的。一或多个中间格栅被披露成一种用来在容器内包含多层吸附剂的装置。 
德国专利No.DE-39-39-517-A1披露了一种径向流容器，其具有包含在两个同心可渗透格栅之间的单层吸附剂，这两个同心可渗透格栅都显得是在轴向及径向上均为刚硬的。外部篮刚性地连接到容器顶端并且连接到一种浮动底板。内部篮通过使用一种膨胀波纹管或一种滑动引导件而柔性地连接到容器顶端。内部篮的下端刚性地连接到浮动底板。整个篮组件因而从容器顶端悬吊，且外部篮承载着组件及包含于其中的吸附剂的重量。内部格栅被围封在吸附剂侧上、且具有一种气体可渗透的可压缩物质或垫子用来吸收由热膨胀和收缩产生的任何径向可压缩力。 
如上所示，本专利领域教导了基本设计配置内的许多变型，所述基本设计配置中，内部、外部和/或中间篮可具有轴向挠曲度、径向挠曲度或它们的组合。所有这些设计具有各种不足，最显著的是，一种关于对装备以及活性物质的可能损坏、剪切和热诱发应力的连续性问题。尽管存在这些教导，但对于用来减轻或消除这些问题的一种径向流反应器的设计而言没有清楚的指导。而且，不存在关于预加应力于内部篮的方法、以及关于设计用于此目的的反应器这二者的教导。 
本径向流反应器被设计成使得：内部篮组件包含有活性物质的床，所述内部篮组件刚性地支撑于容器的顶端以及底端处。篮壁钟的穿孔的大小和几何形状在很大程度上规定了导致用来使得热诱发运动最小化以及用来控制应力及负载的轴向挠曲度和径向刚硬度的量值，由此减轻了这些壁的轴向和径向屈曲。本反应器也提供一种简易且有利的对篮预加应力的装置，其在本文中被用来描述在环境温度下安置呈张紧状态的篮的动作。 
发明内容
本发明是一种用在气体分离过程中且特别地用于通过吸附和/或催化或非催化反应来对空气进行净化的径向流反应器。该反应器具有两个同心的多孔内部篮，其将活性物质(通常是一种自由流动的特定 固体)限制/界定于篮和圆柱形壳体内。篮刚性地支撑于容器的顶端以及底端处，并且具有轴向上柔性的、且径向上刚硬的壁以使得热诱发的应力和负载最小化。该反应器容器具有固定到底板上的支撑柱，该底板固定到篮的底部并且是可动的。优选地，支撑柱是一种劈分支撑柱组件，其提供装置用来简易地且有效地对内部篮预加应力，这被限定为在环境温度下安置呈张紧状态的篮的动作，由此减轻了热诱发的机械应力的不利影响。 
利用直立地定位于其操作方位中的反应器容器，通过运用位于在同心篮之间的床中的固体活性物质的固有质量，来捕获用以对篮预加应力到适当预张紧所需的力。底部支撑板被固定到劈分柱支撑(支撑柱)，并且随着允许对篮预加应力的这些支撑的上部部段而移动。将篮设计与劈分柱支撑系统相结合提供了一种装置用于在活性物质加载期间应用预定量的预加应力，填充所述床的动作，由此显著减少了热诱发的机械应力和反应器大小限制。 
因而，本发明表现了一种较为可靠的且具有内部篮组件的径向床反应器容器的设计。不仅提供了一种预加应力方法，也为篮组件提供了一种支撑柱，所述支撑柱要么通过机械装置、或者通过使用活性物质的重量的固有力势(resident force potential)能实现对篮预加张力或预张紧。 
根据本发明的一个实施例，提供了一种径向床反应器，包括： 
a)一种基本上圆柱形的容器壳体，其具有纵向轴线、上部盖和下部盖； 
b)一种基本上圆柱形的多孔外部篮，其布置成沿着纵向轴线同心地位于壳体里面、并且附连到壳体的上部盖； 
c)一种基本上圆柱形的多孔内部篮，其沿着纵向轴线同心地位于多孔的外部篮里面、并且附连到容器的上部盖； 
d)一种底部支撑板，其布置在壳体里面并且连接到内部和外部篮的底部以便形成篮的一种固体底部表面； 
e)在同心篮之间所形成的环形空间中在纵向轴线周围分布的至少一层活性物质；和 
f)至少三个支撑柱，其布置在底部支撑板和容器的下部盖之间、且具有装置用于沿着纵向轴线移动底部支撑板和篮来向篮提供预定 的纵向张紧。 
在本发明的另一实施例中，提供了一种使用本发明的径向床反应器的循环气体反应过程/工艺。 
在本发明的另一实施例中，提供了一种方法用于对径向流反应器中的至少所述外部篮预加应力。 
在本发明的又一实施例中，提供了一种劈分支撑柱，以用在径向流反应器中。 
附图说明
为了较为全面的理解本发明，应当结合附图参考下列详细说明，附图中： 
图1是本发明的一个实施例的径向流反应器容器的截面视图； 
图2是示出了穿过反应器的流动路径的图1的径向流反应器容器的示意图； 
图3是如图1所示的反应器容器内的床以及内部篮的示图； 
图4是从如图1所示的篮壁看去的剖切视图； 
图5是本发明的一个实施例的径向流反应器容器的带有筛网和床的一个篮壁的局部示图； 
图6a至6d是图示出对篮预加张力的步骤的图1实施例的下部容器和篮以及支撑柱组件的局部视图； 
图7是用在本发明的实施例中的一个劈分柱支撑的截面视图；和 
图7a是附连到图7的一种劈分柱支撑的一个凸缘的顶部视图。 
具体实施方式
图1至7图示了本发明的径向流压力容器的一个实施例的基本结构以及其某些部件。图1的截面视图图示了本实施例的以及本发明的实质特征，但是没有示出所有紧固件装置、导管和设备细节或者对于本领域技术人员而言显而易见和理解到的本发明的其它方面。图2是实质上示出如图1中所示特征的容器的示意图，并且额外地示出了经过容器的气体流动路径。该图不代表实际尺寸。 
参考图1，一种基本上圆柱形的径向流反应器容器(1)在一种竖直的纵向轴线(20)上。该容器具有一种外壳体(2)、且其带有 工业中一般已知的上部(3)和下部(4)半球状盖。下部盖(4)具有入口(6)用于接纳一种馈送气体，且上部盖(3)具有出口(5)用于在正常运行中排出产物气体。在预净化过程中，大气空气将会被穿过入口(6)而引入并被加以处理，或者经净化的空气将会退出开口(5)。 
在壳体(2)内是一种床(8)，其包含着被限定在两个同心的圆柱形包容构件之间的活性物质，在下文中被称作“篮”(9，10)。通过观察图3而最好地理解篮布置，图3图示了内部篮(9)、外部篮(10)、和床(8)的空间关系。优选的是使用关于如图所示的反应器容器(1)的同一主纵向轴向而同心地取向的仅两个篮，并且允许容易地访问/触及介于内部与外部篮之间的床(8)的整个环形空间用于加载和替换活性物质，例如，如图1所示运用填充端口(14)和/或人力通道(16)。很好理解地，人力通道(16)允许操作者进出并且对床(8)的修理。本文中所用术语“床”描述了会包含活性物质的介于篮(9，10)之间的空间、以及活性物质存在的空间这二者。在操作中，过程气体在基本上径向方向上相对于如上所述的反应器容器的纵向对称轴线而被馈送穿过床(8)。 
再参看图1，篮(9，10)由底部支撑板(7)而刚性地固定和封闭于它们的底部或下部端处，其中结合起来的部件(7，9，10)包括了：包含床(8)的篮组件。底部支撑板固定到柱支撑(12)。如在下面较为详细解释的，基本上竖直的柱支撑(12)都被劈分以允许在制作后实现从其参考位置到一种下部位置的底部支撑板(7)的一种预定位移以向篮提供张力，诸如在吸附剂或物质加载之后，以便对篮壁进行拉伸和预加应力。图1所示的该设计运用了八个(图示为五个)支撑柱(12)，尽管可采用更少或更多柱。优选的是至少三个支撑柱。某些或所有支撑柱合并了一种引导装置(如下文中所述)以确保篮(9，10)的纵向轴线以及整个篮组件保持与容器(1)的纵向轴线一致。同心的内部篮(9)外面、以及同心的外部篮(10)里面代表了床(8)的边界壁。篮(9，10)具有不可渗透的固体部段，其刚性地固定到上部盖(3)。同样地，篮(9，10)的短的固体部段也可被运用于篮组件的底部处，在该处篮被刚性地附连到底部支撑板(7)。篮壁(9，10)的表面面积的剩余部分和大部分是气体可渗透的或是另 外地多孔的，如下所述。上部盖(3)具有均匀地在环形床(8)上定位且间隔开的端口(14)以便利加载活性物质。端口之一可如图所示被人力通道(16)替代。 
篮(9，10)的竖直壁在它们长度的大部分上被穿孔以使得它们对于气体流而言是可渗透的并且赋予了结构特征，从而使得篮实现了轴向挠曲度和径向刚硬度来令运动最小化并且用来控制在操作期间热诱发的应力和负载。篮壁的可渗透部段优选地是使用经穿孔的金属板来制作的，被焊接和滚轧成圆柱形。金属通常是钢或钢合金，其是基于物理特性、穿孔容易度、耐腐蚀性、可焊接性和成本要求而加以选择的。篮壁材料的厚度取决于若干结构考虑，正如本领域技术人员会理解到的，并且所选材料及其厚度不必是与用于内部和外部篮的材料和厚度一样的。然而，通常的篮壁厚度将会介于3毫米与35毫米之间。 
本领域的技术人员认识到，尽管篮壁必须是气体可渗透的或多空的(穿孔的)以允许液体流动，但是孔或穿孔的特定大小、形状和取向将会影响到篮壁的方向柔性/挠曲性。例如，且如图2和4最佳地图示出，已知的是一种开槽的穿孔设计，其带有相对于竖直(纵向)容器轴线而交错的并水平或切向取向的伸长孔(40)。从在篮壁的圆周周围延伸的固态金属的周期性的连续且一体的带或网而实现了径向刚硬度。相反地，由于水平取向的伸长槽(40)的交错图案，在径向(竖直)方向上不存在篮壁的固态金属的不间断条带或带。正如在本发明中，当内部(9)和外部(10)篮固定于容器(1)的顶部以及底部处时，这样一种配置是重要的。因而，在较高温度下，伸长的槽(40)压缩以吸收轴向膨胀，减轻一些本来会引起的轴向压缩应力。然而，这种轴向挠曲性(正如由有效弹性模量所确定的)不必如此般大以允许篮壁由于轴向压缩应力而屈曲(本文中也称为“轴向屈曲”)。尽管可能有许多种不同穿孔几何形状，本领域技术人员知道必须选择几何形状以允许实现充分的敞开流通面积、而同时产生篮材料的一种有效弹性模量以引起所需的轴向挠曲度和径向刚硬度。为了本发明的目的，图4中所示的一般的开槽式穿孔配置是优选的，但是将要基于所需结构挠曲度和具体篮材料而选定槽的具体尺寸和间隔。 
也已经发现，通过结构分析，加强肋(32)优选地被添加和附连 到内部篮(9)以减轻由于活性物质所施加的外部压力而导致的屈曲(本文中也称为“径向屈曲”)。加强肋(32)通常是由置于内部篮(9)的内侧壁上的金属或其它刚硬材料(优选地具有与内部篮材料相同的热膨胀特征)制成的结构支撑，从而使得每个肋处于水平平面中并且在内部篮(9)的圆周周围连续地延伸。加强肋(32)以规则的间隔而隔开以增加篮的刚性以便抵抗由于篮和所围封的床的热循环而导致的径向挤压力。 
活性物质可进一步被包含在床(8)中和/或在床(8)中进行分割，使用金属或其它多空且柔性的材料。例如，如图5所示，当穿孔或槽比活性物质的粒度更大时，可以使用筛网来对齐篮的穿孔金属壁。图5示出了一种优选的配置，其中内部篮(9a)的壁是由一种与筛网(30)接触的穿孔金属板制成，所示筛网(30)接触着包含活性物质(17)的床(8a)。尽管未示出，床(8a)的相反侧将会与篮(10)的内侧壁相接触，在其间也可具有一种筛网。类似的筛网也可用来在需要的情况下将不同的活性物质在床(8a)内分离成两层或更多层。筛网是柔性的且并不旨在支撑住大量的轴向负载，并且可从编织的或非织造的金属或非金属材料制成，诸如丝线筛网、网眼织物(fabricmesh)、膨胀金属网、开孔泡沫、聚合物材料等。 
取决于气体处理过程的类型，活性物质可以需要以重复循环的方式按规则的间隔而被再生。在此过程其间，将一种再生气体引入容器，并且其在排出之前沿径向流经活性物质的床。再生流的路径通常相对于馈送流的路径是反向的。对于本发明的反应器容器，气体总是沿径向流经活性物质，而不管馈送和再生流在何处进入容器。 
再次参看图2，馈送气体在入口(6)处进入反应器底部，并且被引导进入介于外部篮(10)的外侧壁与壳体(2)之间的一种外部通道。馈送气体随后沿径向流经外部篮(10)的壁，穿过床(8)以及包含于其中的活性物质，并且穿过内部篮(9)的壁排出到与容器(1)的竖直轴线相对齐的一种中心通道内。产物气体(或经净化的气体)穿过如图所示容器(1)的出口(5)排出反应器容器(1)。反应器容器(1)可被设计成使得馈送气体在容器的底部、入口(6)处，或者在顶部、出口(5)处进入，从而使得穿过床(8)的过程气体的径向流可分别地向内或向外。循环过程通常指引馈送流和再生流 彼此逆向流动。例如，如果馈送流被径向向外引导，则再生流会被径向向外引导。 
当像本发明的径向流反应器被运用来与一种热变动再生步骤相结合而得以被运用，或与其它热循环过程相结合以对催化物质进行清洁或再度活化，内部篮随着气体处理过程的温度的降低或增加而收缩或膨胀。这样的篮的热膨胀和收缩发生在相对于反应器容器的纵向轴线而言的轴向和径向上，包括在篮和所有内部部件及固定装置中的应力。在本发明中，篮被约束在容器的顶部和底部处。在这样的受约束支撑作用下，显著的内部应力将会相应于循环的温度变动而在多孔篮壁内显现。 
当热诱发的轴向应力接近或超过对于轴向屈曲的预定可允许应力极限时，正如从篮材料性质和穿孔几何形状所确定的，于是优选的是对内部篮的多孔壁预加应力以抵消这些热诱发的轴向负载的影响。这种预加应力被沿轴向施加(平行于循环压力容器的纵向轴线)并且使得抵消了热诱发应力。因为本篮被约束于顶部和底部处，则诱发的热应力是压缩应力。对篮预加张力或进行预张紧，(至少部分地)抵消了这些热诱发的压缩应力。因而，多孔壁的初始温升用来减轻篮中的预应力(预张紧)，因为热诱发的轴向压缩应力与拉伸预应力相反地作用。一旦完全地实现了预张紧，则压缩轴向应力可随着温度进一步增加而继续在多孔篮壁中显现。然而，所产生的最大压缩应力少于如果未施加预张紧的情况下本会有的压缩应力，即，由拉伸的预加应力的量抵消了压缩应力。取决于施加到篮的预加应力的量，有可能控制处于受热状态的最大所产生应力为零，或者控制其为拉伸或压缩应力。 
因而，除了选择柱的材料性质和穿孔几何形状，现在已经发现对至少外部篮(10)预加应力是必需的以确保克服由于在对篮(10)加热期间显现的压缩应力而产生的轴向屈曲。尽管现有技术没有提供关于用于对篮预加应力的方法的具体教导，则本发明引入了一种基于反应器容器内的一种劈分柱支撑设计的简单方法。尽管可应用各种机械方法论用于对多孔篮壁进行预张紧，本发明的优选方法是运用活性物质的固有重量，如下所述。因此，本发明反应器容器的设计提供了装置用于一种用来实现这种预加应力的较为简单且有效地方法。 
对篮预加应力减轻或消除了由过程循环的升高温度部分期间的热膨胀所引起的篮上的轴向压缩应力。外部篮(10)由于其较大的直径以及相对较小的厚度，特别地受到来自所诱发热负载的轴向屈曲，并且在其中被预加应力。优选地，内部和外部篮都被同事预加应力。替代地，外部篮(10)可通过暂时将内部篮(9)从容器(1)的上部盖(3)断开连接而被独立地预加应力，例如，这可以是在将活性物质加载到容器内的某些替代装置中是优选的。除了防止轴向屈曲，对篮预加负载允许实现较薄的篮壁构造和/或可在需要的情况下扩展最大可允许操作温度。 
在描述事实预加应力方法之前，需要对容器的进一步描述。如图1所示，篮(9，10)的下端部固定到由固体的非多孔金属材料制成的可动底部支撑板(7)。支撑板(7)经过多个劈分支撑柱(12)连接到容器(1)的下部盖(4)。现在参看图6a，示出了容器(1)的一种片段式的示意图，其具有一个代表性的支撑柱(12a)被劈分以形成一种包括两个分离式支撑构件(12b，12c)的柱组件，所示两个支撑构件各自具有一种对着的且相连的凸缘(60)。在跟随图6的说明中，应理解到，所有支撑构件(12a)与图6a至6d所示的代表性支撑柱动作相同。包括支撑柱(12a)的组件也包括一种圆柱形引导装置(50)用来防止横向或侧向运动以及维持篮组件在制作和操作期间沿容器轴线同心地对齐。间隔件(65)置于凸缘(60)之间，其在下面进一步加以描述。在图6所示实施例中，引导装置(50)是一种插入于柱(12b，12c)里面的简易管。支撑构件(12c)的底部固定到容器(1)的下部盖(4)并且支撑构件(12b)的上部盖固定到底部支撑板(7)。为简单起见，底部支撑板(7)在图6中示意性地图示为一种平板，但通常该板被设计为是如图1所示那样朝着盖(4)凹入的。 
如图6所示支撑柱(12a)在图7中被较为详细示出。圆柱形引导构件(50)被确定大小以在一种管内管配置中可滑动地接合住劈分柱支撑组件(12a)的内部空间，并且被固定到支撑构件(12b，12c)之一，优选地固定到支撑构件(12b)。引导构件(50)接合着支撑构件(12b，12c)二者，并且其具有的长度优选地仅是劈分柱支撑组件(12a)的总长度的1/3。支撑构件(12b，12c)、相对着的凸缘(60) 和引导装置(50)形成了劈分支撑柱(12a)。也可采用将支撑构件可滑动地进行接合的其它方法。所需的支撑柱的数目取决于篮组件受到的组合的静态和动态负载，以及各个柱的设计。通常，需要至少三个柱，并且它们应当相对于容器的纵向轴线被均匀地且对称地间隔开。在支撑柱的至少50％中需要引导构件，例如，如果在图1的设计中使用了八个柱，则至少四个柱应当包括一种引导装置。 
通过使用劈分柱支撑来进行预加应力过程。在优选方法中，加载到床(8)中的活性物质的真实重量被运用来对篮(9，10)进行预张紧。在此实施例中，篮(9，10)刚性地在壳体(2)的顶部处固定到上部盖(3)并且固定到底部支撑板(7)。通过使得凸缘对(60)与移除的间隔件(65)断开连接，底部支撑板(7)、篮(9，10)和上部支撑柱(12b)临时地被允许沿轴向方向移动。 
现在较为详细地描述了对篮的预加应力的实施，其中劈分支撑住的功能将会明显化。图6a至6d图示了在将预加应力方法应用于篮(9，10)的步骤。图6a代表了在容器制作的末端处以及在对活性物质进行加载之前的篮和支撑柱的状况。支撑构件(12b，12c)和一体的凸缘(60)被设计成使得当制作及安装时，每个支撑构件(12b，12c)的两个相对着的凸缘面是成对的，并且间隔开了篮组件及各个篮壁的用来将篮预张紧到所需拉伸应力水平所需的轴向拉伸(d)的预定量。 
匹配的凸缘(60)和支撑构件(12b，12c)是与内部引导装置(50)同心的。内部引导被刚性地附连到支撑构件之一，并且可滑动地与该对支撑构件中的其它支撑构件相接合。当制作所述容器(1)时，在凸缘(60)之间提供了一种初始空间(d)，并且在处于未加载状态的匹配凸缘(60)之间的空间被设计成等于或小于被静态负载施加的篮壁的轴向位移的期望或计算量值，即，源自篮组件与活性物质的组合重量的静态负载。引导装置(50)允许支撑构件(12b)仅平行于竖直轴线运动。具有厚度(d)等于凸缘间隔的间隔件(65)被插入于每个凸缘对之间，如图6a所示。优选地，间隔件被分隔开(分成若干相等部分)用于轻易的移除。支撑构件随后被刚性地连接(诸如被栓接到一起)如图6a中示意性地示出，并且在图7中示出更多机械细节。这是在容器制作之末的篮与支撑住组件的状况。当容器竖直 地定位时，篮组件的重量(WBA)现在主要由刚性地固定于底部支撑板(7)与下部盖(4)之间的支撑柱(12a)加以支撑。篮(9，10)到顶部盖(3)的连接也可为篮组件的重量的一小部分提供支撑。在这种状况下，床(8)保持为空的或未被活性物质加载。底部支撑板(7)相对于容器壳体(2)及下部盖(4)的位置由图6a中的参考线(45)示出。 
厚度(d)的间隔件(65)确立了所允许的预张紧的范围，并且当被牢固地紧固在相对着的凸缘(60)之间时保持了在容器组装和运输的最后阶段期间篮组件刚性地支撑于反应器容器的顶部及底部端处。间隔件可以由诸如碳钢这样的任何材料制成，并且任何数目的间隔件可作为视为必需的而被使用。在此实施例中，在每个凸缘对之间采用四个间隔件。一种孔钻过每个间隔件以允许螺栓穿过间隔件及相匹配的凸缘。 
在容器(1)处于使用位置时，在将活性物质加载入床(8)之间移除掉间隔件(65)。在图6b中，通过施加顶推力(jacking force)FJ而图示了预张紧过程的步骤2，其中篮组件被提升仅略微足以减轻间隔件(65)上的压力，从而使得它们可通过使用液压千斤顶、或通过包括但不限于附连至凸缘(60)上的千斤顶螺丝或螺旋千斤顶这样的其它装置而被移除掉。底部支撑板(7)仅向上移动一个很小量(通常仅1至5毫米)并且实质上保持与原始参考位置对齐。千斤顶定位在容器的基础或地面上，用于进行提升并且随后一旦移除掉间隔件则被锁定就位。在这点，尚未施加预加应力并且篮组件的所有种类都被液压千斤顶所支撑。在此状态下，支撑柱不对篮组件提供支撑，因为每个支撑柱物理上是隔离的。 
在步骤3，床(8)被填充了活性物质并且此物质的重量(WAM)靠着千斤顶机构而积聚。液压千斤顶支撑着活性物质的额外重量，并且将底部支撑板(7)的位置保持到原始参考位置。步骤4涉及缓慢地降低液压千斤顶，从而由于所施加的从活性物质的重量产生的向下的力使得篮组件和壁伸展。当附连到支撑柱(12b)的上部凸缘(60)的面向下移动时这个过程继续，直至这些面接触支撑柱(12c)的下部凸缘(60)的相对着的面。贯穿这个步骤始终，引导构件(50)维持着上部和下部支撑构件(12b，12c)的对齐。底部支撑板(7)如 由间隔件厚度(4)所预定及允许那样移动相同距离。拉伸距离(d)决定了所施加的预张紧的量值，通常少于在活性物质及篮组件的组合总重量中固有的可利用的最大值，即，凸缘对的面将会在完成对所有活性物质的加载之前相接触。 
因而，可以施加一种预定量的轴向预加应力，其达到与所加载活性物质的重量相对应的量。一旦每个支撑构件的凸缘(60)的面被封闭并且相接触，床(8)和篮组件的重量被下部盖(4)所支撑，且篮的壁现在处于张紧状态。在最后加载位置处，且在凸缘(60)处于彼此牢固接触状态下，篮(9，10)被约束在顶部及底部二者处。凸缘(60)可通过焊接或通过使用诸如螺栓这样的紧固件装置而被固定，尽管篮组件和活性物质的重量的组合以及引导构件(50)的存在将会提供克服篮组件的横向移动的足够约束。 
替代地，步骤3可被执行且液压千斤顶被移除，从而使得凸缘将会根据床(8)中活性物质的加载或积聚的速率而缓慢地关闭。篮(9，10)的净预张紧将会在两种情形下是相等的。 
如所示和所描述的，劈分支撑柱(12a)在附连至篮(9，10)的底部支撑板(7)与容器(1)的底部盖(4)之间延伸。这些支撑柱可从多种结构构件构造而成，例如，圆柱形柱或管、I形梁、通道、箱形梁等。机构构件不必为圆形截面的，并且可以使用诸如箱或矩形这样的其它配置。类似地，引导装置不限于同心管配置。例如，其它可能的有效引导装置可包括：各种形状构件，其作为外部套筒或内部插件适配到类似形状柱；或使用销穿过介于匹配的凸缘之间的一个或更多个孔等。尽管如所示的与凸缘和一种圆柱形引导构件相适配的所述简单圆柱形配置是一种优选设计，但可设想到其它设计以完成相同功能并且被视为在操作上等效，只要：(a)支撑柱刚性地固定于容器的底部盖与底部支撑板之间，(b)引导装置用在多个支撑柱中以防止劈分支撑柱的任一构件的横向移动、而同时维持容器内的篮组件的同心度；和(c)可调节装置，诸如可移动间隔件，被用来减少有效柱长度而同时允许固体活性物质的重量沿轴向拉伸篮来将张力应用到篮壁。在预张紧的末端，篮组件刚性地支撑于容器的上部(3)与下部(4)盖之间。 
如所示和所描述的劈分柱支撑设计是优选的，因为其提供一种简 单的装置来提供：在容器的下部盖与底部支撑板之间在一种方便的工作水平处定位的一体引导装置、以及水平的平坦匹配凸缘。然而，本发明的基本特征可实现为具有连续(非劈分的)柱支撑。这样的非劈分支撑柱将会永久性地在一端处附连到底部支撑板(7)或附连到下部盖(4)，优选地附连到至少所述底部支撑板。对于预张紧而言必要的空间/间距或间隔容差/公差将会被形成于相对的(未附连的)柱端部与其面对着的部件之间，即，要么下部盖(4)、或者底部支撑板(7)。该引导装置于是将会被附连介于所述未附连的柱端与直接地到相对着的底板(7)或下部盖(4)的面，即，对着柱支撑的未附连的面，并且具有预定空间/间距(d)用于其间所允许存在的预张紧、并且具有与柱相接合的引导装置。替代地，一种具有水平面装置的支撑盘可被刚性地附连到直接对着支撑柱的未附连面的下部盖(4)、或附连到底部支撑板(7)，且引导装置随后可被一体地定位于柱端与支撑盘之间。在此后一配置中，支撑盘或基座可被设想成是劈分柱设计中的柱的上部或下部部段的另一形式。预张紧的实施将会以与图6a至6d中所示并且如上所述相同的方式而执行。 
也提供了在拉伸负载下对篮进行紧固以及预张紧篮的替代的和等效的装置。在一个实例中，内部篮，一旦被装配在反应器容器内，可通过使用与内部或外部锁定机构相组合的螺纹杆而以机械方式被预张紧。内部锁定机构的实例包括了：在焊接到容器以及焊接到篮的底部或底部支撑板上的支撑架中、或在容器头部中的钻出的或攻丝制成的孔；用来将螺纹杆捕集于附连至篮和容器壁的支撑件中的锁定螺母；以及一种螺丝扣或套筒螺母(turnbuckle)，其位于两个永久性地附连到篮及容器壁上的螺纹杆之间。从容器里面对预张紧进行调节。外部锁定机构的实例包括：钻出的和攻丝制成的孔，其穿过容器盖并附连到篮的底部或底部支撑板；以及锁定螺母，用来将螺纹杆捕集于附连至篮且穿过容器壁的支撑中。这些方法允许在容器外部执行预张紧。通过在篮中所加载的吸附剂的重量，可协助进行内部以及外部预张紧这二者。 
替代地，一种液压千斤顶可被定位成抵靠着反应器容器的顶端外侧的一种固定支撑，且该千斤顶的相对端附连着一种梁，所述梁沿其轴线穿过反应器而插入，并且与形成了同心篮底部的板相接触。所述 千斤顶随后用来将底部支撑板推入就位，抵靠着底部支撑柱；或用来将一种劈分柱的匹配凸缘推到一起。在劈分柱支撑中的凸缘或者底部支撑板随后通过焊接或栓接而被紧固到一起。液压千斤顶和梁随后被移除掉并且篮壁保持处于张紧状态并且牢固地连接到反应器容器的底部盖。 
在所有上述的预加应力方法中，预张紧的量值应当被预定以通过完全或部分地抵消热诱发的压缩应力来防止篮的轴向屈曲。 
使用本领域中熟知的活性物质的床，本方面的径向流反应器可被用在气体净化、分离或反应过程中。优选的过程是那些需要一种重复的循环操作的过程。最优选地，本反应器用在诸如PSA、VPSA和TSA过程这样的循环吸附过程中，且最优选地用在在ASU前段上的预净化过程中。 
固体活性物质可以是一种吸附剂、催化剂或反应剂物质，包括呈球形、圆柱形、不规则颗粒等形式的自由流动的固体颗粒。活性物质被选择用于所采用的特定过程并且已知了很宽范围的物质。 
对于空气净化或分离过程，吸附剂材料被使用并且通常是一种已知的且市场上可购得的沸石类型分子筛物质。用在分子吸附剂床单元内的吸附剂物质可包括单层物质或、两层或更多层物质配置，其中，最接近馈送入口的第一层(诸如活化的氧化铝)从馈送气体移除掉水，并且第二层(诸如沸石分子筛)吸附一种选定的气体成分(诸如：在净化过程中的二氧化碳；或在空气分离中的氮气)。吸附剂物质优选地被致密地充填，用以最小化吸附剂沉淀及其它颗粒动作、并且用来最大化过程效率。 
对本领域技术人员应显而易见的是：本发明的主题不限于本文所提供的实例，其已经被提供用来仅仅演示本发明的可操作性。本发明的范畴包括属于所附权利要求书的范围内的等效实施例、修改和变形。 

Claims (23)

1.一种径向床反应器，包括：
a)一种实质上圆柱形的容器壳体，其具有一种竖直纵向轴线、一种上部盖和一种下部盖；
b)一种实质上圆柱形的多孔外部篮，其沿着所述纵向轴线同心地安置于壳体内、并且附连到壳体的上部盖；
c)一种实质上圆柱形的多孔内部篮，其沿着所述纵向轴线同心地安置于多孔外部篮里面，并且附连到容器的上部盖；
d)一种底部支撑板，其安置在壳体里面并且连接到内部篮和外部篮的底部,以便形成所述内部篮和外部篮的一种固体底部表面；和
f)至少三个支撑柱，安置在容器的下部盖与底部支撑板之间，且具有装置用于沿着所述纵向轴线移动所述多孔内部篮和多孔外部篮中的至少一者和所述底部支撑板来向该篮提供预定的纵向张力。
2.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，支撑柱包括两个匹配的支撑构件，它们能够沿着纵向轴线分离以提供介于二者之间的一种空间。
3.根据权利要求2所述的径向床反应器，其中，至少一个支撑柱具有一种引导装置用来提供对于支撑构件的对齐。
4.根据权利要求3所述的径向床反应器，其中，引导装置定位在支撑构件内。
5.根据权利要求4所述的径向床反应器，其中，支撑柱和引导装置是圆柱形的。
6.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，可调节的装置定位在支撑柱上，能沿着纵向轴线降低所述多孔内部篮和多孔外部篮中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，连续的支撑柱附连到底部支撑板、下部盖、或者这二者，并且通过一种用于沿与支撑柱相接合并固定至支撑柱的引导装置来将底部支撑板、下部盖、或二者移动一段预定间距的装置来形成纵向运动。
8.根据权利要求2所述的径向床反应器，其中，可调节的装置被定位在支承构件之间，使得能沿着纵向轴线至少将外部篮降低。
9.根据权利要求8所述的径向床反应器，其中，可调节的装置是可移动的间隔件。
10.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，所述多孔内部篮和所述多孔外部篮的壁是沿轴线柔性且沿着径向刚硬的。
11.根据权利要求10所述的径向床反应器，其中，所述多孔内部篮和所述多孔外部篮具有由穿孔金属板制成的壁。
12.根据权利要求11所述的径向床反应器，其中，穿孔金属板包括伸长的槽，所述槽是交错的并且相对于竖直的容器轴线被取向成水平的。
13.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，筛网被定位在至少床与内部篮之间，筛网具有一种比活性物质的平均颗粒直径更小的网孔。
14.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，至少一层活性物质在同心篮之间所形成的环形空间中在纵向轴线周围分布。
15.根据权利要求1所述的径向床反应器，其中，加强肋在水平面中置于内部篮的内侧壁上，并且在内部篮的圆周周围延伸。
16.根据权利要求1所述的径向床反应器中进行的一种循环的气体净化、分离或反应过程。
17.一种用于在具有如下部件的类型的径向流反应器中至少对外部篮预加应力的方法：
a)一种实质上圆柱形的容器壳体，其具有一种竖直纵向轴线、一种上部盖和一种下部盖；
b)一种实质上圆柱形的多孔外部篮，其沿着所述纵向轴线同心地安置于壳体内、并且附连到壳体的上部盖；
c )一种实质上圆柱形的多孔内部篮，其沿着所述纵向轴线同心地安置于多孔外部篮里面，并且附连到容器的上部盖；
d )一种底部支撑板，其安置在壳体里面并且连接到内部篮和外部篮的底部，以便形成所述内部篮和外部篮的一种固体底部表面；
e )环形空间，其形成在同心篮之间以接受在所述环形空间中在纵向轴线周围分布的至少一层活性物质；和
f )至少三个支撑柱，安置在容器的下部盖与底部支撑板之间，且具有装置用于沿着所述纵向轴线移动所述底部支撑板和至少所述多孔外部篮，
所述方法包括启动用于沿预定的纵向方向向下移动至少所述多孔外部篮的装置以向该篮提供纵向张力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过将活性物质加载入环形空间而发生了所述启动。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将至少所述多孔外部篮降低一段预定距离以向该篮提供一种预定张力。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，用于移动至少所述多孔外部篮的装置是通过使用可动支撑柱实现的，可动支撑住包括两个支撑构件和位于其间的一种可动间隔件，由此当移动所述间隔件时所述支撑柱向下移动。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，通过使用能够向至少所述多孔外部篮提供张力的机械装置，发生了所述启动。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述机械装置是与一种锁定机构相结合的一个或更多个螺纹杆，所述锁定机构用于降低至少所述多孔外部篮由此向该篮提供预定张力。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，当活性物质的重量将至少所述多孔外部篮向下移动时，实现了用于向下移动该篮的装置，由此向该篮壁提供了张力。
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