CN102441350A

CN102441350A - 具有均匀流分布的径向床容器

Info

Publication number: CN102441350A
Application number: CN2011102970352A
Authority: CN
Inventors: C.E.西利克; M.W.阿克利
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-09
Also published as: BR112013004987A2; CA2809973A1; MX2013003834A; EP2624946A1; CA2809973C; WO2012047389A1; ES2492695T3; EP2624946B1; US8313561B2; US20120079938A1

Abstract

本发明为具有均匀流分布的径向床容器，总体上涉及径向流容器和方法，以在净化、分离或反应过程中实现通过床的均匀的流体流分布。将这种径向床容器设计成使流通道的截面流面积之比与工艺气体的质量流速之比成比例，且比例常数介于0.7与1.4之间。此外，通道中的每一个具有截面流面积，以使在所采用的特定气体的工艺工作条件下，每个通道内的压力变化小于或等于活性材料床的压降的10%。

Description

具有均匀流分布的径向床容器

技术领域

本发明总体上涉及利用径向流容器管理净化、分离或反应过程中的流体流分布。更明确地来讲，本发明涉及在这些过程中使用径向流容器或反应器以实现通过活性材料床的均匀的流体流分布的设计、方法和装置。

背景技术

使用活性材料如吸附剂和/或催化剂的流体净化、分离或反应过程在本领域中是公知的，且目前有多种容器设计用于这些类型的过程。这些容器的实例包括竖直和水平定向的圆柱形容器，这些容器在该过程中具有通过吸附剂和/或催化材料的床的向上或向下的气体流。在本文中所使用的第三种类型的容器用竖直中心轴线或纵向轴线定向，并且内部设计径向引导工艺气体流通过床。这种径向流设计包括圆柱形压力容器，这种压力容器围绕有气体能够透过的同心内筐和外筐，以容纳一层或多层活性材料形成的床。这些容器的一种常用的用途和实例是在用于分离或净化气体的吸附过程中。

由于这些系统尤其是基于吸附的气体分离系统的尺寸增加以满足日益增长的产品需求，所以需要提供更大的压力容器，而并不显著地增加这些容器的覆盖区（地面面积要求）。这是一种艰难的挑战，因为较高的流体通过量要求这些容器的前部流面积的成比例增加。径向流设计提供了通过增加容器的高度而并不显著改变容器的覆盖区来增加前部流面积的能力。此外，与水平或轴向流容器设计相比，径向流设计提供增加流面积的更有效手段。

一种商业上的实例是增加对较大的低温空气分离装置（ASU）的需求以满足日益增加的对用在各种工业过程中的大量氧和氮的需求。ASU要求前端净化容器（吸附容器）在空气进入ASU之前通过去除二氧化碳、水、痕量碳氢化合物和其它杂质来净化供给的空气流。通常通过气体吸附过程来完成这种去除。正如所公知的那样，较大的ASU要求较大的“预净化装置”，以在低温蒸馏过程之前对进来的供给空气进行处理。在试图控制容器的尺寸时，较大的装置对容器的设计人员提出了挑战，因为供给空气的较高通过量要求由这些容器所提供的前部流面积的成比例增加，从而导致较大的花费更大的容器。虽然在这些预净化装置中使用了多种类型的容器，但对于大型ASU应用而言，径向流设计最有商业利益。

径向流容器也称为“径向床容器”，它们以固定在容器中的至少两个同心圆柱形多孔或开孔构件之间所含的活性材料的填充床为特征。这些圆柱形构件通常称为“筐”并在它们之间含有活性材料。诸如含有两种或更多种成分的气体的流体在压力容器的顶部或底部进入，并且被导入在压力容器的固态壁与圆柱形多孔外筐之间形成的外通道。然后，这种流体径向流过外筐的多孔壁、流过活性材料的填充床，并且通过内筐的多孔壁流出而进入与压力容器的轴线对齐的中心通道（内通道）。然后，如果需要，流体在压力容器的顶部或底部流出压力容器。可选择的是，流体流可被导入内通道并且通过外通道流出床。若这种容器用在基于吸附的气体净化或分离过程中，则供给和吹扫（再生）气体通常以彼此相反方向流过床和这些通道。

可将径向床容器设计成提供低的压降并且能够接收较高的流速，而并无将床中的材料流体化的风险，即由于活性材料由这些同心筐固有地制约在流方向上。可将这些材料密集地“填充”在床内，以产生低空隙体积并且提高工艺效率。不过，若设计不合理，这些容器和它们之中的这些填充床可能会经受不均匀的或不一致的流体流分布。这种流问题称为流分布不均并且导致吸附器内的杂质的早期穿透、化学反应器中的低转换效率或者通过该活性材料床的总体上不太希望的流体，即导致纯度较低的产品以及由床的相应的低效使用而导致较低的工艺效率。

之前已经采用了多种方法来改进径向床容器中的流分布。例如，美国专利5,759,242使用了一种锥形外容器壁来产生圆锥形外通道并由此而实现改善的流分布。美国专利4,541,851和5,827,485将一种圆锥形分布元件插入内通道中以在内通道中产生类似的效果。为了进一步地提高带有锥形外通道的径向流容器内的流分布，美国专利7,128,775在内筐和外筐上使用了可变穿孔图案。可替代地，美国专利5,814,129使用了一种插入这些通道内的伸长的开孔隔板，以增强内通道或外通道中的螺旋形流路。这些专利使用了安装在容器内的复杂的机械设计和/或额外的设备以试图改善流分布。这就意味着复杂的制造并增加容器的成本。此外，这些专利中没有一个公开实现径向床容器内均匀流分布所必需的操作条件的设计指导方针、准则或范围。用在本文中的“径向床容器”和“径向床反应器”是互换使用的，以结合包括在本发明中的所有工艺。

一些学术研究已对径向流反应器中的流的分布进行了探讨。在一系列研究中，Heggs等人（Gas Sep. Purif., vol. 8, no.4, 257-264 (1994), Gas Sep. Purif., vol. 9, no.3, 171-180 (1995), Gas Sep. Purif., vol. 9, no.4, 243-252 (1995)）通过开发了一种流模型来预测床和通道的压力轮廓对小型（直径为0.34m，长度为0.26m）环形碳床中的径向流分布进行了探讨。中心管与外环面截面积之比为0.42，且床的最大压降为720Pa（0.1psi）。

Chang等人（AIChE J., vol.29, no.6, 1039-1041 (1983)）对小型径向流固定床反应器（直径为0.12m，长度为1.0m）进行了分析性研究，以确定不均匀流分布对反应器的转换效率的影响。他们得出的结论是“π流”（在内通道和外通道中相反方向的流）总是好于“z流”（在内通道和外通道中相同方向的流）。建议在中心管与外环面截面积之比等于一且通道压降与床压降之比等于零，即通道阻力等于零时会获得理想的或最佳的流轮廓。然而，Chang等人还注意到通道阻力有限且通常为床阻力的约20%。催化剂孔隙度和容器直径对流分布的影响以压降比和中心管与外环面之间的流差异为特征。

最近，Kareeri等人（Ind. Eng. Chem. Res., 45, 2862-2874 (2006)）介绍了计算流体力学（CFD）来探讨流分布对径向流移动床反应器中的“贴壁”现象的影响。Kareeri等人对文献（上面所提及的以及其它的许多文献）进行了研究并得出了“以前用于对径向流反应器中的流分布进行研究的分析性数字模型是有限的并且是相当简化的”的结论。因此，开发了3D CFD模型并用于对小型径向流反应器（直径为0.5m，长度为1.68m）中的流分布进行研究，其最大床压降小于约160Pa（0.023psi）。

虽然这些学术研究提供了预测压力和流轮廓的工具和方法，但应用的目的大部分在于化学反应器并限于规模非常小的容器。一直以来一致推荐“π流”构造。这些小型反应器的研究所产生的低流和小通道阻力在本质上产生极小的流分布不均。非常低的床阻力太低而在大型工业规模的反应器和净化器的床中不实用或不具有代表性。这些研究中没有一个针对如在大型分离中的进入流和离开流明显不同时所产生的问题。因此，需要对实现适用于多种流构造（如“z流”和“π流”）的工业规模的反应器和净化器中的均匀的流分布所要求的容器和流参数进行量化。此外，这种方法必须在工业规模的容器和工艺所固有的强制性结构要求、感生热要求和制造要求内取得成功。本发明致力于这些需求。

实现通过工业规模的径向床容器的均匀的流体流分布来进行这些工艺的成功操作是很重要的。容器的几何结构（包括内通道和外通道的大小和整个容器的直径）、床的高度和床的传递长度、填充床的性能（如平均颗粒大小和床的空隙比或床的孔隙度）、气体性能（如密度和粘度）以及工艺条件（如流体的流速、压力和温度）均是影响径向床容器中的流分布的因素。适当的容器设计应产生供给和吹扫（再生）流体流的均匀的流分布。因此，本发明提供径向床容器，其适当设计的内通道和外通道以及床压降要求导致不太昂贵、易于制造且实现较好的流分布的容器。

除了对流分布有影响之外，容器的几何结构还对实现最佳的工艺性能有着重要的影响。例如，循环分离工艺中的循环时间和反应工艺中的转换效率取决于床的传递长度或深度。换言之，流分布和工艺性能相互关联或联系，且这种关系可随着工艺的类型而变化。“z流”构造是通常所希望的，因为可以由外部热损耗考虑、工艺管线要求等所控制。现有的教导一直致力于解决这种复杂性，因此，并未确定对均匀的流分布的清楚的教导。本发明克服了这些缺陷，其中，制定了特定的准则，这些准则可普遍地用在径向床构造中以实现相对均匀的流分布，从而克服由流体流的分布不均而造成的工艺性能的降低。

发明内容

本发明是一种展示设计特征的径向流容器，这些特征实现或导致基于吸附或催化剂的净化、分离或反应过程中的均匀的流体流分布。这种径向流容器呈圆柱形并且带有含有活性材料床的内部多孔筐。将这种容器设计成使内通道和外通道的截面积之比与分别流入和流出内通道和外通道的工艺气体的质量流速之比成比例。此外，内通道和外通道中的每一个具有截面积且环状筐组件（至少包括多孔内筐和外筐）具有床高度和床传递长度，该截面积、床高度和床传递长度确定为使在工艺流体工作条件下，内通道和外通道内的压降小于或等于活性材料床的压降的10%。

相应地，提供一种径向床容器，该径向床容器包括：

大体上呈圆柱形的容器外壳，外壳具有竖直纵向轴线、上盖和下盖；

大体上呈圆柱形的多孔外筐，外筐沿着纵向轴线同心设置在外壳内，并且附接到上盖和下盖中的至少一个；

大体上呈圆柱形的多孔内筐，内筐沿着纵向轴线同心设置在多孔外筐内，并且附接到容器的上盖和下盖中的至少一个；

大体上呈环状的外通道，外通道沿着纵向轴线设置在容器外壳与外筐之间，并且具有能够输送供给流体或产品流体的截面流面积；

大体上呈圆柱形的内通道，内通道沿着纵向轴线设置在内筐中，并且具有能够输送供给流体或产品流体的截面流面积；

大体上呈环状的床，床由至少一层活性材料构成，这种活性材料层设置在内筐与外筐之间的环状空间内；其中：

该通道的输送供给流体的截面流面积和该通道的输送产品流体的截面流面积之比与该供给流体的质量流速和产品流体的质量流速之比成比例，且比例常数大于等于0.7且小于等于1.4；以及

该环状床具有床高度和床传递长度，该床高度和床传递长度确定为使在所采用的特定流体的工艺工作条件下，该内通道和外通道的长度上的压力变化各小于等于床的压降的10%。

还提供了一种流体净化、分离或反应方法。

附图说明

为了更充分地理解本发明，应参考下面结合附图的详细描述，在这些图中：

图1是本发明的一个实施例的径向流容器的示意图；

图2是径向流容器的一系列示意图，这些图示出了通过容器的变化的流路；

图3是图1中的径向容器的水平截面图；

图4是示出了供给气体和吹扫气体流方向的两个示意图；

图5是示出了增加质量流量对通道压降与用于固定床压降的床压降之比的影响的曲线图；

图6是示出了供给通道与产品通道截面面积之比对供给（外）通道压降与床压降之比的影响的曲线图；

图7是示出了供给流期间在内通道、外通道和床中的压降的曲线图；以及

图8是示出了在工艺的供给步骤期间沿着床高度的用于进入（V1）床的供给流和离开（V2）床的产品流的速度轮廓的曲线图。

具体实施方式

本发明是一种设计带有特征的径向流容器，这些特征实现基于催化剂或吸附的流体净化、分离或反应过程中的均匀的流体流分布。成功地实现均匀的流分布对于任何活性材料床的最佳性能是必要的，且在流体流过床时对流分布特征进行控制尤为重要。用在本发明中的均匀的或“均匀的”流体流分布是指沿着床的高度（轴向方向）的流速度的变化大小小于5%，即，在内筐或外筐的面的径向速度矢量的大小在筐组件的多孔部分的整个高度上的变化或者在床的高度上的变化小于5%。流分布的均匀性也可以类似地由沿着床的高度的活性材料床的阻力或压降的最小变化来限定。

出于本发明的目的，传递长度和床的深度是描述沿着容器的径向方向测量的内筐与外筐之间的距离的等效术语。流体在内筐和外筐的一个或其它面进入和离开环状床，其具有径向定向的速度（以下称为“径向速度”）。同样，在将流体均匀地抽离通道而进入床或者将流体通过开孔从床均匀地分配到通道内时，流体主要在内通道和外通道内流动，具有平行于容器的纵向轴线定向的速度（以下称为“纵向”或“通道”速度）。“床的高度”是指包含在多孔内筐和外筐之间的活性材料床的总体有效或工作纵向高度。为了清楚起见，其是流体径向流过的床高度。

出于本发明的目的，在大型工业径向流反应器中，流过多孔筐材料的阻力比床的阻力小，注意这一点是重要的。就此方面而言，这些筐壁的开放面积优选大于15%，更优选大于25%。这些准则保持低的筐流阻力，并且还提供了筐的结构设计上的灵活性，以满足加在筐组件上的动态和静态负载。因此，整个床/筐流的阻力由活性材料床的阻力所控制，而不是像Kareeri等人所建议的那样通过使用非常低的筐壁孔隙度（开放面积≤5%）来控制。这些多孔筐的这种低开放面积导致在筐的面上的高速度流，并且可实际上在床内产生死区，在这些死区中不使用活性材料。这些死区通常位于靠近筐表面且在这些筐壁中的固态区域之后的区域内。使用高阻力筐壁来产生沿着壁的面的均匀速度分布产生通过活性材料床的内部的均匀流的虚假提示。本发明中的低流分布不均的目的在于引导流体通过床，以使床内的所有活性颗粒由这种流均匀地接触。

常规的净化、分离或反应工艺通常采用松散地填充的床，这种不均匀的填充增加了获得通过床的均匀流分布的难度。如在美国5,836,362中所描述的床的密集填充在床内产生活性材料的更均匀而稳定的填充，并且导致床的较高的压降。虽然并未要求，但床的密集填充进一步地增加了本发明的有益效果。密集填充反映在所产生的填充密度或床的空隙比上，填充密度或床的空隙比均取决于吸附剂的物理性能。出于本发明的目的，床的空隙比（粒间体积除以床的总体积）应大于等于0.30且小于等于0.50，优选大于等于0.32且小于等于0.42。空隙比受颗粒的形状、颗粒尺寸分布的宽度以及将床填充到其最大密度的程度的影响。总体上而言，将在本发明的径向流容器中使用质量平均直径为等于或大于0.5mm且小于等于5.0mm的颗粒，优选质量平均直径为等于或大于1.0mm且小于等于4.0mm的颗粒。用在本说明书中的“质量平均”颗粒尺寸是指通过一组美国筛序筛网（ASTIM E-11）对活性材料的代表性试样进行分离并且将留在每个筛网上的颗粒称重以通过本领域技术人员公知的方法确定颗粒尺寸分布和平均直径所确定的平均直径。

优选本发明针对用在基于吸附的气体分离工艺中的径向流容器，而并无限制，如通过利用气体的吸附性能之间的差异来分离气体的工艺。最优选的是用在气体分离工艺中的径向床容器，这些气体分离工艺如本领域中所公知的变压吸附（PSA）、真空回转吸附（VSA）、真空变压吸附（VPSA）或者变温吸附（TSA）工艺。例如，径向流容器用于适于在低温空气分离之前进行空气预净化的TSA工艺和使用PSA或VPSA工艺的空气的大量分离。

通过填充床的流分布由所产生的内容器通道和外容器通道中的压力轮廓（梯度）反映。在沿着床的高度的任何局部位置的这两个通道之间的压差提供用于流体流过填充床的驱动力。此外，通过床的局部化的压力驱动力（压降）确定通过在相应的床高度的床的每个局部节段的流量。保持沿着床高度的所有局部位置的床的均匀的压降，同时减小在每个通道内的压降确保通过床和在床的整个高度上的径向流的均匀分布。用在本文中的“床”是指填入容器内的这些同心筐之间的体积或空间的密集填充的活性材料的一个或多个层。通过床的与通道内的总压力梯度（通道压力降低或上升）相比较高的压降（床压降）允许流体均匀地填入内通道和外通道，并且有助于阻止流体优先流过床的全异节段（disparate sections）。这样就将床本身用作一种流分布器，并且避免了对复杂的容器制造和/或花费大的流分布装置或方法的需求。

为了方便起见，下面将这些通道内的压力变化描述为压降，这种压降是更典型的现象，但无论如何，本发明旨在包括压力上升，其中，通道内的压力可能增加。

可通过使用仔细选择的分析性公式从这些工艺条件、容器几何结构和床的性质和特性合理地估计内通道和外通道内的压降以及通过床的压降。然后，将这种压降估计方法用于对这些容器参数进行调节，以满足上面开发的用于均匀流分布的准则，即相对于床的压降的低的内通道和外通道压降。具体而言，可确定内通道、外通道的尺寸、床的传递长度（床的深度）和床的高度以获得对于床和工艺的给定工作条件的均匀的流分布。更明确地来讲，可将这些压力预测用于设计径向流容器，且确定其内通道和外通道的尺寸以确保通道的截面流面积之比大体上等于进入容器和离开容器的质量流速之比，且这些通道压降为床的压降的至多10%，优先至多5%。

下面参考优选的气体吸附工艺对本发明进行描述，但并不旨在对本发明的范围进行限制。在吸附床和容器的设计中，所需的吸附剂材料的量由工艺的类型、有待去除的杂质以及所希望的产品纯度和产量来确定。其它的重要设计因素包括质量流速、工艺条件（如循环时间、压力、温度）和吸附剂材料的物理和化学特性。筐的尺寸和几何结构由床的内半径和外半径（这些参数之间的差异称为床的传递长度）以及床的高度来限定。如上所述，必须正确地设计用于给定质量流速、床的传递长度和床的高度的内通道和外通道的尺寸，以实现均匀的流分布。然后，从这些考虑因素确定容器的总体几何结构。沿着床高度的流的不均匀分布导致所吸附的气体或杂质早期穿透进入产品通道，最终导致吸附剂的不充分使用和床的低性能。具有有效而最大化的床的使用率的工艺通常要求在整个床的高度上的小于5%的径向流速度的变化。类似地，高的床使用率要求相对较低的在整个床的高度上的床压降的变化。

在具有均匀地分布的流的反应器/容器中，每个颗粒或含有吸附剂颗粒的床的节段暴露给或以其它方式处理来自供给气体的大致相同数量的流体分子。当这种流不均匀地分布时，则一些床节段比其它节段暴露给更多或更少的分子。暴露给局部化程度更高的流的那些节段会在吸附工艺的早期经历杂质穿透或者具有与以较低速度运行的节段相比的反应过程中的较低转换效率。通过床的这种不均匀的流分布并不是所希望的，并且导致降低的工艺性能。

对于净化工艺而言，除了由通过吸附从供给气体去除并随后通过再生（解吸附）返回到吹扫气体的少量杂质所导致的变化之外，进入和离开床的质量流速保持相对不变化。由于较大量的供给气体（大体积）成分留在吸附剂中，所以与净化工艺相比，大型分离中的离开容器的质量流速可显著地小于进入容器的质量流速。因此，控制这些通道流阻力的第一步骤要求内通道和外通道的面积之比大致等于这些通道内的质量流速之比。所以，与设计用于大型分离的通道相比，对于设计用于净化的容器而言，内通道和外通道（也称为供给通道或产品通道）的尺寸和截面面积可有很大的不同。不过，确立了一种单一的准则来确定内通道和外通道的面积之间的关系，这种关系可用于净化、大型分离和反应工艺。

从连续性方程可将进入或离开任何一个通道的质量流速表示为：

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE001

m表示进入或离开通道的总质量流速，r是流体密度，A是通道截面积，V是在通道入口或出口处的速度，且下标i表示内通道（IC）或外通道（OC）。注意：整个容器和这些通道的流体密度相对恒定，且希望进入供给通道和离开产品通道的速度保持大致相同，因此，希望保持这些通道内的相同的质量通量（kg/m²）：

出于本发明（其中，供给流与产品流之间的流体密度的变化通常是小的）的目的，在质量方面对这些通道中的流速和通量进行描述。若出现这些流通道之间明显不同的流体密度的情形，可在摩尔流量或通量方面应用上面的这些流方程。

在净化（或者某些反应）的情形中，

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE003

和上述关系式表明内通道和外通道截面积应相等。这两种结果，即相等的面积或相等的质量通量，表示理想的条件，这些条件有助于确保内通道和外通道之间的平衡的流条件。

不过，对于均匀的流分布（如大型分离或者在这些通道截面积太小时），这种相等的面积比条件既不充分甚至也不必要。这就是为什么要求将这些通道压降与床的压降联系起来的另外的条件的原因，如下所述。

对于具有相对较高的流体通过量的工业规模的径向流反应器而言，提供足够大的通道截面积以将这些通道速度尽可能保持得低是重要的。这会反过来导致相对较低的通道压降。出于本发明的目的，现已发现可略微放宽这种相等的质量通量的条件，而仍实现均匀的流分布，即与这些准则结合，通道流阻力必须小于床的阻力。可从内通道（或环面）或外通道（环面）分别将供给流和产品流引入或抽出。因此，可在质量流的类型（在通道中承载的供给流或产品流）方面更直接地描述这些通道（流面积）的面积比。现已发现下面的面积比设计准则满足本发明的要求：

对于

，

对于，

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE007

下标“feed”（供给）和“product”（产品）是指承载于通道内的流体的类型。无论是内通道还是外通道承载供给流或产品流，上述通道面积关系式均适用。相等的质量流速关系式用于对面积比进行第一近似，随后可将第一近似放宽以满足上述条件。这就在设计几何结构中提供了必要的灵活性，以满足结构性和工艺要求，而同时实现可接受的流分布。因此，供给通道和产品通道的流面积之比与供给流体和产品流体的质量流速之比成比例，且比例常数介于约0.7与约1.4之间，优选介于0.85与1.2之间。

现在参看图1，图中示出了径向床容器1，径向床容器具有上盖12、下盖10以及沿着纵向轴线4的圆柱形压力容器外壳3。床2包含在外筐5与内筐6之间，这些筐形成含有活性材料的内部环状空间。外筐5与内筐6的壁用多孔材料制成，或者具有允许工艺气体流过床2的开孔。内筐6内的圆柱形体积称为内通道7，且压力容器外壳3与外筐5之间的环状体积称为外通道8。例如，将供给气体通过入口管嘴9引入到容器，管嘴9附接到容器1的下盖10，且通过出口管嘴11从容器抽取产品气体，管嘴11附接到容器1的上盖12。

床2通常由活性材料的一个或多个同心层组成。这种活性材料通常自由流动。对于基于吸附的工艺来讲，如空气净化或者其它的分离，吸附剂被使用并且典型地是一种公知的且商业上可得到的沸石类型的分子筛材料。这种吸附剂材料可由单层或双层或更多的同心层构造构成，其中，离供给入口最近的第一层（如活化氧化铝）将水从供给气体去除，且第二层（如沸石分子筛）吸附所选择的气体成分，如在净化时的二氧化碳或在空气分离时的氮。第三层可用于吸附一种或多种痕量杂质（如CO或N₂O），等等，或者与之反应。在反应类型的工艺中，可从公知的在固定床容器工艺中有效的任何催化剂材料中选择活性材料。这些催化剂通常自由流动，且它们的实例包括各种类型的高二氧化硅分子筛、一氧化碳消灭剂、用金属和金属氧化物（如VIII组金属）浸渍的氧化铝和二氧化硅基片以及其它公知的用在化学反应中的催化剂。正如公知的那样，优选将这种吸附剂或催化剂密集填充，以减少沉淀和其它颗粒运动并且使工艺效率最大化。这种自由流动的材料可以是商业上可得到的以小球、小丸、小粒等形式的任何成团材料，在这种材料中，材料的活性满足工艺的分离或反应要求。

正如本领域技术人员所理解的那样，在径向床内的供给气体流的方向可径向地向内或径向地向外，参考图1和图2会更好地理解这一点。可从内通道7将供给气体引入径向床容器1，并且径向向外流至外通道8，或者可从外通道8将其引入，并径向向内流至内通道7。在典型的径向床容器中，可通过外通道8将供给气体引入环状床2，并且径向向内流过床2，然后，产品气体通过内通道7而离开容器。这种供给气体能够从下盖10进入容器，并且轴向（平行于容器的纵向轴线）向上在内通道7和外通道8中流动（图2a），或者从上盖12进入容器，并且轴向向下在内通道和外通道内流动（图2b）。可选地，供给气体还可被引入内通道7，径向向外流过床2，然后，产品气体通过外通道8离开容器（图2c-2d）。这种气体能够从下盖10进入容器并且在流通道内轴向向上流动（图2c），或者从上盖12进入容器并且在流通道内轴向向下流动（图2d）。示于图2a-2b-2c-2d中的流的轴向方向在内通道和外通道中是相同的（在文献中通常称为“z流”）。可选地，如图2e所示，这些通道内的流也可以是彼此相反方向（在文献中通常称为“π流”）。

对于示于图2e中的相反方向的通道流路的情形而言，供给气体从下盖10中的入口管嘴9进入容器，然后出外通道8进入床2并通过跟随通过床2的径向向内的流路而离开并进入内通道7，并且通过独立的出口管嘴从下盖10离开容器。这种流构造的其它可能变化形式包括：i）气体从上盖进入容器，然后从外通道进入床，并且通过跟随通过床的径向向内的流路而离开并进入内通道，并且从上盖离开容器；或者ii）气体从下盖进入容器，然后从内通道进入径向床，并且通过跟随通过床的径向向外的流路而离开并进入外通道，并且从上盖离开容器，或者iii）气体从上盖进入容器，然后从内通道进入径向床，并且通过跟随通过床的径向向外的流路而离开并进入外通道，并且从上盖离开容器。在这些流从容器的相同端进入和离开的构造中，提供独立的入口管嘴和出口管嘴。虽然学术研究已经得出了π流提供好于z流的流分布的结论，但本发明提供了使用任何一种流构造实现可接受的流分布的设计指导方针。

在基于吸附的气体分离工艺中，床中的吸附剂首先吸附更容易吸附的气体，然后吸附第二容易吸附的气体，等等。在净化工艺中，选择吸附剂以容易地吸附杂质。在床达到所希望的产品纯度所确定的一定的饱和度之后，它由吹扫气体再生，这种吹扫气体去除所吸附的气体/杂质。无论供给气体的流动方向如何，吹扫气体通常以与供给气体相反的方向流动。如图2a-2e所示，在这些流通道内并通过径向床有流动方向的多种可能组合。在本发明的优选操作模式中，供给气体进入容器的底部并且沿着示于图2a中的相应路径，且吹扫气体通过容器的顶部进入并且沿着示于图2d中的相应路径。

图3示出了图1中的径向容器的水平截面图。假设圆柱形内通道7的半径、内筐6的半径以及床2的内半径均具有相同的标称半径r _i。类似地，假设床2的外半径、外筐5的半径以及外通道8的内半径均具有相同的标称半径r _b。同样，容器外壳3的半径和外通道8的半径具有相同的标称半径r _o。这些都是有效的假设，因为筐的厚度和容器壁的厚度大大地小于所涉及的径向尺寸。若这些厚度相当于其它的径向尺寸，可容易地修改这些公式来对其进行解决。此外，将内通道7和外通道8的长度以及床2在轴向方向上的高度均假设为L。使用所有的这些几何数据，

内通道7的截面流面积表示为

；

外通道8的截面流面积表示为

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE009

；

床2的内表面面积表示为：

；以及

床2的外表面面积表示为：

。

可利用本发明的教导对内通道和外通道中的压降进行成功的估计。通过对这些压力预测中的限定床和通道的几何结构的参数进行调整，可确定内通道、外通道的优选尺寸、床的传递长度以及床的高度，以满足前面所提及的压降以及面积比准则，从而获得对于给定的工作条件的通过床的均匀的流分布。

通道压降由通道的尺寸和长度以及通道内的气体的密度和纵向速度决定。对于给定的质量流速（或所希望产品率）和工艺条件（温度和压力）而言，这些流通道的较大截面积导致通道内的较低的纵向气体速度和较低的压降。另一方面，通过床的压降由流动气体的密度、粘度和径向速度以及床中的颗粒的平均尺寸、空隙比（床的孔隙度）和床的高度决定。用于预测填充床中的压降的关系式称为Ergun等式，该等式经常被引用，并且被广泛地使用（Chem. Engr. Progress, vol. 48, pgs 89-94, Feb. 1952）。

确定通道和床的压降的一种方式是通过使用用于给定的几何结构和流条件的计算流体力学分析对该流建模。不过，这种分析要求用于不同的通道尺寸的流分布的多种模拟和研究。考虑到所涉及的变量的数目，这种分析可能变得困难。一种备选的方式是估计通道和床的压降并且利用这些估计值适当地设计这些通道和床的尺寸，从而实现前面所提及的用于均匀的流分布的压降准则。

床的压降预测

通过Ergun等式来精确地估计通过填充床的压降。不过，该等式是为以轴向流构造的床而制定的。流面积和流速度在轴向床中保持恒定。另一方面，流面积和所产生的径向流速度随着径向流床中的床的深度而变化，即速度随着流面积相反地变化。出于这种原因，必须对经典Ergun等式进行修改以对径向流容器的床内的压降进行精确的估计。受径向流影响的环状床内的压降可表示为：

且

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE013

，；

其中，ε 床的空隙比（粒间空隙体积/床体积）

μ 气体的粘度

d _p由Ergun所限定的等效球形颗粒直径

ρ 气体的密度

工艺气体的质量流速

L 床的高度

r _b床的外半径

r _i床的内半径

将工艺气体的信息（μ, ρ,

）、吸附床的信息（ε, d _p）和床的几何结构信息（L, r _b , r _i）代入上面的等式，就能够预测床中的压降，而无需使用CFD或其它大量的模拟或分析，而且无需不适当的实验。制定此处所给出的等式用于床中的单层材料，但正如本领域技术人员通常所理解的那样，可以容易地扩展到多层材料。

内通道和外通道的压降预测

用于本发明的优选操作的供给气体（从容器的底部进入）的流的方向以及吹扫气体（从容器的顶部进入）的流的方向分别在图4a和4b中示出。在这些通道中的气流主要是轴向方向，即纵向向上或向下，这取决于流从容器的哪个端进入，如图4a和4b所示。气体从内通道7或外通道8中的一个进入床，径向流过床，并且离开而进入剩余的通道，例如，若气体从外通道进入，则气体离开床而进入内通道，等等。

参看图4a，以基本上轴向方向的速度进入外通道8的质量流被均匀地从通道沿着通道长度通过外筐5抽至床。另一方面，床中的流的速度基本上是径向向内的方向。由于从外通道8中的轴向方向至通过外筐5中的开孔的径向方向的流方向的变化而导致的动量交换增加总体的通道压降。外通道壁对轴向流的摩擦阻力也有助于这种压降。参看图4a，当这种流通过内筐6的开孔离开床并从径向转为内通道7中的轴向方向时也出现类似的动量交换，即这种动量变化有助于内通道的压降。内通道7的壁对轴向流的摩擦阻力也有助于这种内通道压降。因此，内通道7和外通道8中的压降是由于摩擦阻力和惯性（动量）压力恢复的组合效果而导致的。

可在本发明的上下文中将由内通道和外通道中的动量交换所导致的压降视为类似于或相似于用于开孔管分布器的压降（Green D. , Perry R.H., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 8^th Edition, 2008）。开孔管的压降通常取决于流的方向；若气体正在通过孔口流出管，则这种管就是一种“排放管”。不过，若气体正在通过孔口流入管，则这种管就是一种“返回管”。对于示于图4a中的供给气体的流方向而言，环状外通道8连同外筐5形成排放管，因为供给气体通过外筐5从环状外通道8排放。另一方面，内通道7连同内筐6形成返回管，因为通过流经内筐6来在内通道7中收集气流。类似的，如图4b所示对于吹扫气体的流方向而言，内通道7连同内筐6形成排放管，且外通道8连同外筐5形成返回管。

内通道和外通道中的压降是由于摩擦和惯性（动量）压力恢复的组合效果而导致的，因此，这种压降可以表示为：

其中，ΔP 通道长度上的净压降

L 开孔的外壳长度

D 开孔的外壳直径

f 从Moody图获得的摩擦系数（用于管流）

K 理想的动量恢复系数；对于排放管而言等于-0.5，对于返回管而言等于+1.0

ρ 气体的密度

V 对于排放管而言是通道入口速度，对于返回管而言是通道出口速度，等于

Figure 2011102970352100002DEST_PATH_IMAGE017

，且 A 是通道的面积

内通道和外通道中的气流通常处于湍流模式。当管摩擦项与惯性（动量交换）项相比相对不太重要时，内通道和外通道内的压降受动量项（K·ρ·V ²）的支配。由于动量恢复系数K对于排放管是负数而对于返回管是正数，所以压力会沿着排放管增加而且会沿着返回管降低。每个通道中的压降的大小受控于排放管的入口速度或者返回管的出口速度。不过，为了易于计算，这些通道压降用进入或离开这些通道的质量流速（

）和这些通道的截面积（A _IC, A _OC）的项来表示。因此，（在摩擦效应可以忽略时）可将外通道和内通道中的压降表示为：

和

当气体被从外通道引入到吸附床内并离开床而进入内通道时，可断定此时外通道表现为排放管（K = -0.5）且内通道表现为收集管（K = 1）。另一方面，当气体从内通道进入床并离开而进入外通道时，可将内通道视为排放管（K = -0.5）并且将外通道视为收集管（K = 1）。为了方便起见，这些K系数以及摩擦系数是选自文献的经验常数。可进一步地通过制定与容器设计的材料和几何结构直接有关的系数来提高这些预测的精确性。

应注意，虽然在Heggs等人和Kareeri等人的小型床研究中报告了排放管中的压力上升，但压力下降更有可能在工业规模的反应器的通道中出现。正如可从包括摩擦和惯性项的上述等式中明显看出的那样，这些项在排放管构造中相互之间是相反的，即摩擦损耗有助于压降，而动量恢复有助于压力上升。在使用大开放面积（许多开孔）的粗表面开孔板的工业规模的反应器中，摩擦损耗可能不会太小，尤其是在床的高度增加时。结合大的流和大的床高度的筐的大表面积至少有利于摩擦损耗抵消排放管中的动量恢复。因此，对于工业规模的反应器而言，在通道压降等式中包括摩擦项并且改进经验常数K和f的精度是可取的。无论排放构造中的压力上升还是下降，指导方针是减少通道内的总体压降。

通过将径向床容器的流通道作为排放管或收集管的概念，可预测用于工艺气体的质量流速的各种值以及各种通道尺寸的通道压降。通过对通道压降的这些值与床的压降进行比较并通过对容器设计进行重新构造来对这些值进行调整，可提供实现流分布准则的方法，即将这些通道设计成使通道压降大大地小于床的压降，从而获得通过床的更加均匀的流分布。

保持这些通道压降大大地小于床的压降会导致均匀的流分布。通过采用上述这些方法，可将容器和床设计成使这些通道压降优选小于等于床的压降的10%，但更优选小于等于床的压降的5%。对于给定的质量流或质量流范围而言，通道压降与床压降之比受控于因素的组合，这些因素包括通道的尺寸、吸附颗粒的形状、尺寸和填充、床的传递长度以及床的高度。

在径向流容器中实现均匀的流分布所要求的最重要的条件是通道压降必须小于床的压降。这些准则表示为：

更明确地来讲，优选这些通道压降小于等于床的压降的10%：

更优选地，这些通道压降小于等于床的压降的5%：

起始步骤是确定通过床的最大允许的或希望的压降。这种确定会受到压缩能量的成本以及来自这种工艺的产品的价值的极大影响。在低温空气分离之前的空气预净化中，优选床压降小于等于34.5kPa（5psi），更优选小于等于20.7kPa（3psi）。在用于制氧的PSA空气分离工艺中，优选床的压降小于等于13.8kPa（2psi），最优选小于等于6.9kPa（1.0psi）。高价值产品和/或低成本功率往往导致较高的可允许床压降。预期在所有的这些工艺中，床压降会大于等于1.0kPa（0.15psi）。进一步地预期通过多孔筐壁的压降与床的阻力相比是小的甚至可以忽略不计。通过确保多孔板的开放面积至少为15%优选至少25%来实现这些筐的多孔壁的这种低阻力。

总体上来讲，通道压降是小的，如大大小于6.9kPa（1.0psi）。低通道压降要求低的通道（纵向）速度，这又要求足够大的通道截面积。现已发现，在本发明的过程中，通过不但提供足够大的通道截面流面积而且根据上面提供的关系式建立截面流面积来最佳地满足这些条件，即

对于，

对于

，

优选地，

对于

，

对于，

这些条件确保内通道和外通道中的压降是低的，只要这些通道的长度大致相等且这两个通道中的质量通量大约相等。这些条件还防止通道中的流的瓶颈现象。

应注意，在大型的商业容器中要避免上面的优选范围之外的大的面积比，因为容器制造成本可能显著提高。在内通道用于输送产品流的大规模分离的情形中，有必要增加塞或密封的中心管来封闭暴露给产品的一些体积，以增加产品产量和纯度。在这些情形中，内通道从圆柱形转换成环面。在这些大规模分离情形中，上述面积比指导方针确保这两种流分布要求均得到保持，而并不对产品的产量或纯度造成大的影响。

此外，这些条件确保流体在进入床之前均匀地填充这些流通道，因此，进入沿着床的高度的每个节段的流体的径向流速度大体上等于进入每个其它节段的流体的径向流速度。这样就将床用作一种流分布器。

一旦这种容器设计的截面确立，可通过与进入床的质量流速的增加成比例地增加床的高度来满足增加的产品的需求，即并不改变容器的流通道或其它的截面几何结构。床高度的这种成比例的变化会保持流入床的气体的速度不改变，因此，床的压降也不会改变。因此，本发明的教导可用于产生在截面方面标准的容器设计（固定的容器和筐直径）（简化制造并降低容器成本），以通过仅改变容器的高度来满足供给和/或产品质量流速的相对较大的范围。

容器高度不能随着通道质量流速增加而不受限制地增加。保持用于增加的质量流速的这些流通道的截面积会导致较高的通道速度和通道压降的增加。当容器的高度增加太多时，增加通道压降而并不增加床的压降开始对流分布的均匀性造成不利影响。因此，要么应通过扩大通道来减小通道压降，要么应增加床的压降来获得更加均匀的流分布。因此，增加容器直径并调节筐的几何结构以产生新的标准容器设计，然后，将这种容器设计用于质量流速的另一个范围。因此，可用一个或几个标准容器尺寸来满足对于给定工艺的流的整个范围。

对于固定的床压降而言，增加质量流速对外通道压降与床压降之比的影响在下面的实例1中详细地说明。

实例1

对净化工艺，对于固定的床压降而言，通过使用压降公式对增加质量流速对外通道压降与床的压降之比的影响进行研究。在此实例中，具有121kg/s的质量流速、处于652.9kPa和280K的空气从外通道进入径向流床。径向容器具有5.1m的直径、0.25m的外通道宽度和1.12m的内通道半径。径向床具有1.22m的传递长度和10.06m的床高度。它由吸附剂颗粒组成，这些颗粒具有2.1mm的平均直径，并且被填充以提供37%的床空隙百分比（床的空隙比＝0.37）。在这种容器的几何结构中，内通道和外通道的截面积相等。在此分析中，进入径向容器的质量流速随着床的高度按比例增加，以使进入床的气流速度和所产生的床的压降保持恒定。在此分析中，其它的几何参数不变。即使床的压降不变，外通道的压降随着该通道中质量流速的增加而增加，即，供给流随着床高度的增加而增加。因此，外通道压降与床的压降之比增加，如图5所示，超过优选的0.05（5%）的比率。这种结果表明，随着床的高度按比例将质量流速增加到超过某种可接受的水平（在此实例中是200kg/s）以处理更多的气体而并不增加这些气体通道尺寸会导致流分布不均。

实例2

正如前面所提及的那样，内通道和外通道的截面积应基本上彼此相等以在供给质量流速和产品质量流速基本上相等时实现均匀的流分布。利用与实例1中所描述的相同的容器构造和工艺对外通道与内通道截面积之比对外通道压降与床压降之比的影响进行研究。在此将内通道选择为产品通道。在此分析中，内通道的尺寸、床的高度、床的传递长度和进入容器的质量流速保持不变。因此，所产生的床压降也不变。通过增加容器的直径来逐渐增加外通道的面积，并且计算外通道中的相应的压降。所产生的外通道（供给通道）的压降与床压降之比在图6中显示为外通道（供给通道）截面积与内通道（产品通道）截面积之比的函数。对于供给通道与产品通道的截面积的至少0.70的比率，实现5%或更小的通道压降与床压降的最优选比率（作为均匀的流分布的度量）。小于0.7的通道面积比导致压降比高于0.05，即导致流分布的不均匀性的增加。大于1.4的通道面积比导致过大的容器体积/直径，从而导致较高的制造成本。

实例3：流模拟

进行计算流体力学模拟以验证本发明所提出的设计指导方针。实例1中明确说明的工艺气体和径向流容器用在此模拟中。对于这种几何结构而言，内通道和外通道的面积几乎彼此相等（A _IC ≈ A _OC）。示于图7中的结果表明内通道和外通道的压降大约在138-207Pa（0.02-0.03psi），且大大低于2.76kPa（0.40psi）的床压降，即小于0.10·ΔP _Bed。局部的床压降仅仅是在该床高度的内通道和外通道之间的压力差。由于外通道和内通道之间的压差是用于气流的最主要驱动力，所以每个通道内相对于床压降的极低的压降确保通过床的流的均匀分布。示于图8中的用于从床的外边界进入床的气流（V1）和从床的内边界离开床的气流（V2）所产生的通道速度轮廓都显示了小于4%的流分布不均。获得用于相反方向的流的类似压降和速度轮廓也证实了相反的流的满意的流分布。在图7中，从通道的底部至顶部（床的高度）的压力差表示通道的压降，而在图8中，对沿着床高度的每个筐的面显示径向速度的变化。

对于工业规模的径向流反应器而言，优选本发明适用于具有大于等于1.0m的直径、大于等于2.0m的床高度和大于等于0.3m的床深度的容器。

本领域技术人员应明白本发明并不仅限于此处所提供的实例，提供这些实例仅用于展示本发明的可操作性。本发明的范围包括落在权利要求书的范围之内的等效的实施例、修改和变化形式。

Claims

1. 一种径向床容器，包括：

大体上呈圆柱形的容器外壳，所述外壳具有竖直纵向轴线、上盖和下盖；

大体上呈圆柱形的多孔外筐，所述外筐沿着所述纵向轴线同心设置在所述外壳内，并且附接到所述上盖和下盖中的至少一个；

大体上呈圆柱形的多孔内筐，所述内筐沿着所述纵向轴线同心设置在所述多孔外筐内，并且附接到所述容器的上盖和下盖中的至少一个；

大体上呈环状的外通道，所述外通道沿着所述纵向轴线设置在所述容器外壳与外筐之间，并且具有能够输送供给流体或产品流体的截面流面积；

大体上呈圆柱形的内通道，所述内通道沿着所述纵向轴线设置在所述内筐中，并且具有能够输送供给流体或产品流体的截面流面积；

大体上呈环状的床，所述床由至少一层活性材料构成，所述至少一层活性材料设置在所述内筐与所述外筐之间的环状空间内；

其中：

输送所述供给流体的所述通道的截面流面积与输送所述产品流体的所述通道的截面流面积之比与所述供给流体的质量流速与所述产品流体的质量流速之比成比例，且比例常数大于等于0.7且小于等于1.4；以及

所述环状床具有床高度和床传递长度，所述床高度和床传递长度确定为使在所采用的流体的工艺工作条件下，所述内通道和外通道的长度上的压力变化各小于等于床压降的10%。

2. 如权利要求1所述的径向床容器，其中，所述压力变化是压力下降。

3. 如权利要求2所述的径向床容器，其中，将所述容器设计成使所述通道截面流面积之比与质量流速之比成比例，且比例常数大于等于0.85且小于等于1.2。

4. 如权利要求2所述的径向床容器，其中，所述容器包括以下参数中的至少一个：大于等于1.0m的直径、大于等于2.0m的床高度和大于等于0.3m的床深度，并且提供通过所述床的工艺流体的均匀的流分布。

5. 如权利要求2所述的径向床容器，其中，所述内筐和所述外筐具有由多孔材料制成的壁，且所述壁的开放面积大于15%。

6. 如权利要求2所述的径向床容器，其中，用于输送所述供给流体和产品流体的所述通道的截面流面积基本上相等，且所述供给流体和产品流体的质量流速基本上相等。

7. 如权利要求1所述的径向床容器，其中，所述大体上呈圆柱形的内通道大体上呈环状。

8. 一种使用径向床容器的流体净化、分离或反应方法，所述径向床容器包括：

其中：

所述环状床具有床高度和床传递长度，所述床高度和床传递长度确定为使在所采用的工艺流体的工作条件下，所述内通道和外通道的长度上的压力变化各小于等于床的压降的10%。

9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述压力变化是压力下降。

10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述方法是基于吸附的具有均匀流的气体分离方法。

11. 如权利要求10所述的方法，其中，所述气体分离方法选自由变压吸附、真空回转吸附、真空变压吸附和变温吸附工艺组成的组。

12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述方法用于空气的预净化。

13. 如权利要求12所述的方法，其中，所述方法使用沸石类型的分子筛。

14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述床被密集填充且所述床的空隙比大于等于0.30并小于等于0.50。

15. 如权利要求14所述的方法，其中，所述分子筛具有大于等于0.5mm且小于等于5.0mm的质量平均直径。

16. 如权利要求8所述的方法，其中，通过所述床的压降大于等于1.0kPa （0.15psi）。

17. 如权利要求8所述的方法，其中，所述通道截面流面积之比与所述质量流速之比成比例，且比例常数大于等于0.85且小于等于1.2。

18. 如权利要求17所述的方法，其中，用于输送所述供给流体和产品流体的所述通道的截面流面积基本上相等，且所述供给流体和产品流体的质量流速基本上相等。

19. 如权利要求9所述的方法，其中，所述通道压降小于等于所述床压降的5%。