CN103394269B - 真空变压吸附制富氧吸附塔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空变压吸附制富氧吸附塔，包括进料口、原料气进口、产品气出口、上筛板、下筛板，所述的吸附塔从进气端向产气端方向呈由大到小的锥形。本发明所述的变压吸附制取富氧的新型吸附塔，通过将现有的径向、轴向吸附塔改进为锥形结构，保证了气体从进气端到产气端气流始终保持均匀一致的流速，提高了吸附塔内分子筛的利用率，提高了吸附剂的单位产量，使装置的效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，具体而言，涉及一种真空变压吸附制富氧吸附塔。
背景技术
真空变压吸附（VPSA）制富氧作为一种化工单元技术，现已广泛地用于空气分离制取富氧。随着变压吸附技术的发展及装置的大型化，对吸附塔本身也提出了更高的要求，要求吸附剂的吸附容量大、吸附和脱附速率快、吸附剂的利用率高。同时随着国民经济的发展，国家对环境保护力度的加强，真空变压吸附制富氧由于能有效地起到节约能源减少排放的有益效果，必将更广泛地应用于冶炼富氧燃烧、废水曝气处理等工业领域。
目前吸附分离过程中的吸附器有轴向、径向两种。
如图1所示为轴向吸附器，其中，1为产品气出口，2为装料口，3为上筛板，4为多层分子筛，5为吸附器外壳，6为下筛板，7为圆形分布器，8为原料气进口。由于空气从进料端进入吸附塔，在待分离气体向产气端流动过程中，空气中的氮气逐步被吸附塔内的分子筛吸附剂吸附，气体流动方向上氧气浓度逐步升高，气体流量逐渐减小，在空气通过吸附剂过程中，在吸附塔上、中、下段气体流速连续变化。不论在吸附还是解吸阶段吸附塔内的流速都是不均匀的。这会明显降低吸附剂的利用率，造成吸附剂单位氧气产量降低。
如图2所示为径向吸附器，其中，1为产品气出口，2为氮气进口，3为压紧胶囊，4为多层分子筛，5为出口网管，6为进口网板，7为外壳，8为底板，9为原料气进口。径向吸附器虽然解决了不同层面的吸附剂负荷，但是，由于进、出口通道的气体流速分布不很均匀，同时在吸附塔装填吸附剂不均匀，会造成在吸附塔的不同高度吸附剂对气体的阻力不同，也会影响气体通过吸附剂的流速，同样会造成待分离的空气在吸附塔上、中、下部气体流速流量的差异，影响吸附剂性能的发挥使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种变压吸附制取富氧吸附塔，以解决现有技术中吸附剂床层由于气体流速变化、吸附剂磨损而造成的吸附剂未充分利用的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种真空变压吸附制富氧吸附塔，如图3所示，其中，1为进料口，2为产品气出口，3为上筛板，4为多层分子筛，5为吸附器外锥体，6为下筛板，7为分布器，8为导流锥体，9为扩散锥体，10为原料气进口。所述吸附塔包括进料口、原料气进口、产品气出口、上筛板、下筛板、多层分子筛，还包括吸附器外锥体、分布器、导流锥体、扩散锥体，所述的吸附塔从进气端向产气端方向呈由大到小的锥形，所述分布器位于下筛板下方，所述导流锥体固定在分布器底部部，所述扩散锥体设置在吸附器外锥体和原料气进口之间。
特别地，所述的吸附塔底部直径D与顶部直径d满足关系式：
(D/d)2=CZ/(CO2*фO2)；
其中，CZ是吸附塔所需氧气浓度，CO2为空气组成中氧浓度，фO2为吸附塔中氧气的收率。
特别地，所述的吸附塔装填吸附剂的体积V为：
V=∏*H/12(D2+D*d+d2)；
其中，∏为圆周率，H为吸附塔的高度，D为吸附塔底部直径，d为吸附塔顶部直径。
特别地，所述的吸附塔底面锥度夹角θ由下式计算：
tgθ=2*H/(D-d)；
其中，H为吸附塔的高度，D为吸附塔底部直径，d为吸附塔顶部直径。
优选地，所述的吸附塔底面锥度夹角范围为75度至90度。
优选地，当VPSA装置氧气浓度在90%至93%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在81.3度至90度；当VPSA装置氧气浓度在90%至75%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在82.1度至90度；当VPSA装置氧气浓度在75%至70%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在83.1度至90度。
上述变压吸附制取富氧的新型吸附塔，通过吸附塔的锥形结构，保证了气体从进气端到产气端气流始终保持均匀一致的流速；在吸附塔中沿气体流动方向上，氮气在流体中的浓度逐渐减小；沿气体流动方向上，吸附器内单位高度的分子筛吸附剂的装填量也逐渐减小；提高了吸附器中分子筛吸附器的利用效率，减少了装填量，降低了VPSA富氧装置成本。本发明所述的真空变压吸附制富氧吸附塔对现有的径向、轴向吸附塔进行了改进，提高了吸附塔内分子筛的利用率，提高了吸附剂的单位产量，使装置的效率更高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术中轴向吸附塔的结构示意图。
图2为现有技术中径向吸附塔的结构示意图。
图3为本发明所述的锥形吸附塔的结构示意图。
图4为实施例一至三种使用的双塔VPSA制富氧装置流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一：
本实施例中先设定吸附剂床层厚度为300毫米（mm），产品气纯度设计为90%，收率50%。保持吸附塔内气体流速基本一致，塔底的直径为140mm，则可计算出塔顶的直径为48.0mm。吸附塔底的夹角81.3°。吸附塔装填吸附剂的有效体积为2240毫升（ml）。
使用如图4所示的双塔VPSA实验室装置，分别使用锥形塔和轴向塔作对比实验。分子筛吸附剂使用相同的重量。对比实验条件见下表：
VPSA装置时序图:
VPSA装及电磁程控阀门开关图:
表中：A：吸附；ED1：均压降压；ER1：均压升压；
V：抽真空；FR：产品气最终升压
实验时使用的空气经过预先干燥脱除水分、二氧化碳等杂质,其中氧、氮、氩均未脱除。经处理后的空气组成为：氧气21.0%、氮气78.2%、氩气0.8%。经过减压阀，压力稳定在145KPa进入VPSA实验装置。解吸压力的真空度，通过真空管路上的手动阀门调节。
轴向塔和锥形塔实验结果见下表:
实验结果可以看出，锥形塔比轴向塔产氧量高出：7.51%；收率高2.34%。
实施例二：
本实施例中，锥形塔夹角的计算方式为：先设定吸附剂床层厚度为300mm，产品气纯度设计为75%，收率60%。保持吸附塔内气体流速基本一致，塔底的直径为140mm，则可计算出塔顶的直径为57.0mm。吸附塔底的夹角82.1°。吸附塔装填吸附剂的有效体积为2430ml。
采用与实施例1相同的方法，只是将产氧浓度控制在75%左右，对锥形塔和轴向塔VPSA两种吸附塔产氧情况进行比较。
轴向塔和锥形塔实验结果见下表：
实验结果可以看出，锥形塔比轴向塔产氧量高出11.1%；收率高4.42%。
实施例三：
本实施例中，锥形塔夹角的计算方式为：先设定吸附剂床层厚度为300mm，产品气纯度设计为70%，收率65%。保持吸附塔内气体流速基本一致，塔底的直径为140mm，则可计算出塔顶的直径为67.0mm。吸附塔底的夹角83.1°。吸附塔装填吸附剂的有效体积为2620ml。
采用与实施例1相同的方法，只是将产氧浓度控制在60%左右，对锥形塔和轴向塔VPSA两种吸附塔产氧情况进行比较。
轴向塔和锥形塔实验结果见下表：
实验结果可以看出，锥形塔比轴向塔产氧量高出：9.20%；收率高1.98%。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已。本发明方案并不限于真空变压吸附制富氧领域，可以将它的相关模式应用于其它系统中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种真空变压吸附制富氧吸附塔，包括进料口、原料气进口、产品气出口、上筛板、下筛板、多层分子筛，其特征在于：还包括吸附器外锥体、分布器、导流锥体、扩散锥体，所述的吸附塔从进气端向产气端方向呈由大到小的锥形，所述分布器位于下筛板下方，所述导流锥体固定在分布器底部，所述扩散锥体设置在吸附器外锥体和原料气进口之间，所述的吸附塔底部直径D与顶部直径d满足关系式：
(D/d)2=CZ/(CO2*фO2)；
其中，CZ是吸附塔所需氧气浓度，CO2为空气组成中氧浓度，фO2为吸附塔中氧气的收率；所述的吸附塔底面锥度夹角θ由下式计算：
tgθ=2*H/(D-d)；
其中，H为吸附塔的高度，D为吸附塔底部直径，d为吸附塔顶部直径。
2.如权利要求1所述的真空变压吸附制富氧吸附塔,其特征在于：所述的吸附塔装填吸附剂的体积V为：
V=∏*H/12(D2+D*d+d2)；
其中，∏为圆周率，H为吸附塔的高度，D为吸附塔底部直径，d为吸附塔顶部直径。
3.如权利要求1所述的真空变压吸附制富氧吸附塔，其特征在于：所述的吸附塔底面锥度夹角范围为75度至90度。
4.如权利要求1所述的真空变压吸附制富氧吸附塔，其特征在于：当VPSA装置氧气浓度在90%至93%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在81.3度至90度。
5.如权利要求1所述的真空变压吸附制富氧吸附塔，其特征在于：当VPSA装置氧气浓度在90%至75%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在82.1度至90度。
6.如权利要求1所述的真空变压吸附制富氧吸附塔，其特征在于：当VPSA装置氧气浓度在75%至70%之间时，所述的吸附塔的底面锥度夹角在83.1度至90度。
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