CN103998112A - 具有减小的空隙容积和均匀的流动分布的吸附容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了吸附容器和利用吸附容器的系统。在一个实施例中，用于接收流体混合物以及从该流体混合物中分离出成分的吸附容器包括从底端延伸到顶端并且限定出容器腔室的容器壁。在吸附容器的底端中形成有用于将流体混合物引入到容器腔室的底部入口。此外，支承板定位在容器腔室中位于底端上方，并且限定出在支承板与底端之间的底部空隙容积。总孔隙率小于25％的填充材料定位在底部空隙容积中，并且限定出用于使流体混合物从底部入口流动到支承板的通道。

Description

具有减小的空隙容积和均匀的流动分布的吸附容器

在先国家申请的优先权要求

本申请要求于2011年12月19日提交的美国申请No.13/330,448的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及变压吸附(PSA)系统和容器，更具体地涉及在处理期间具有减小的空隙容积和均匀的流动分布的PSA容器。

背景技术

变压吸附过程可以选择性地从气体混合物中分离出可吸附的成分，例如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢、氩、氮和水。通常，这些成分中的一种或多种成分被吸附用以净化例如氢气的流体流。典型地，PSA工艺使用吸附器，该吸附器包括环绕着由吸附剂颗粒形成的吸附床的容器。一般而言，吸附容器中的空隙容积包括多孔吸附剂颗粒内的容积、颗粒之间的容积以及由容器的壁和吸附床限定出的内部容积。

这些空隙容积会降低PSA工艺的效率。具体地，空隙容积可引起诸如氢的回收产品的损失。尽管可将吸附剂放置在空隙容积中用以减小空隙容积，但这种解决方案是非期望的，因为其不利地影响了通过吸附床的气体流动分布和压降。为了加强处理性能，气体在容器中的分布是均匀的。然而，将吸附剂放置在空隙容积中会导致通常不期望的不均匀性。通常，期望在不增加通过吸附剂的压降和流动不均匀性的情况下使容器中的空隙容积最小化。

因此，期望提供具有减小的空隙容积的吸附容器。此外，期望提供在分离处理期间展示出减小的压降的吸附容器。此外，其它期望的特征和特点将通过以下结合附图和前面的技术领域及背景技术进行的详细描述和所附权利要求变得显而易见。

发明内容

本发明提供了具有减小的空隙容积和均匀的流动分布的吸附容器。在示例性实施例中，提供用于接收流体混合物以及从该流体混合物中分离出成分的吸附容器。该吸附容器包括从底端延伸到顶端的容器壁。该容器壁限定出容器腔室。在容器的底端中形成有用于将所述流体混合物引入到容器腔室中的底部入口。支承板定位在容器腔室中位于底端上方，并且限定出在该支承板与底端之间的底部空隙容积。此外，总孔隙率小于25％的填充材料定位在所述底部空隙容积中，并且限定出用于使所述流体混合物从底部入口流动到支承板的通道。

根据另一示例性实施例，吸附容器形成有用于接收流体混合物以及从该流体混合物中分离出成分的容器腔室。该容器包括穿孔的支承板，该穿孔支承板定位在容器腔室中并且限定出位于穿孔支承板上方的吸附区和位于穿孔支承板下方的入口区。在容器中形成有用于将流体混合物引入到入口区中的底部入口。此外，总孔隙率小于25％的填充材料定位在入口区中，并且限定出用于使流体混合物从底部入口流动到穿孔支承板的通道。所述填充材料填充超过50％的入口区。

根据另一示例性实施例，提供用于从流体混合物中分离出成分的吸附系统。该系统包括至少一个容器，该至少一个容器具有从底端延伸到顶端并限定出容器腔室的容器壁。在容器的底端中形成有用于将流体混合物引入到容器腔室中的底部入口。底部入口限定出轴线。吸附容器包括定位在容器腔室中位于底端上方的支承板。该支承板限定出在该支承板与底端之间的底部空隙容积。此外，吸附材料床定位在容器腔室中位于所述支承板上方用以选择性地吸附流体混合物的成分。另外，在底端上安装有环绕轴线的内支承环形件，且在底端上安装有环绕内支承环形件的外支承环形件。该容器包括总孔隙率小于25％的填充材料，所述填充材料定位在底部空隙容积中介于内支承环形件与外支承环形件之间。该填充材料限定出用于使流体混合物从底部入口流动到支承板的通道。

附图说明

下文将结合以下附图描述吸附容器，附图中同样的附图标记表示同样的元件，其中：

图1是包括根据示例性实施例的吸附容器的处理系统的示意图；以及

图2是根据示例性示例的图1的吸附容器的侧视截面图。

具体实施方式

以下详细描述在性质上仅仅是示例性的，并不用于限制吸附系统或吸附容器或应用以及吸附系统或吸附容器的用途。此外，无意受在前面的背景技术或下文的详细描述中提出的任何理论约束。

本申请中设想的多个实施例涉及具有减小的空隙容积、展现出减小的压降并且提供均匀的流动分布的吸附容器和系统。此外，吸附容器和系统能够将循环时间减少30％到50％。本申请中的吸附容器利用填充材料来减小空隙容积，从而改善PSA工艺中的工艺/处理性能。填充材料的总孔隙率小于25％，例如小于20％、小于15％或小于10％。如本申请中所用，“总孔隙率”用来衡量空隙容积占填充材料的总体积的百分比，所述空隙容积包括材料颗粒内的材料内空隙容积以及材料颗粒之间的材料内空隙容积。填充材料的总体积包括固体成分和空隙成分。

PSA技术基于吸附剂随着气体压力升高和降低而选择性地吸附和解吸特定气体的能力。由于选择性的吸附，所以可从期望的产品气体中去除杂质。在PSA系统的许多商业使用中，来自精炼厂或化工厂的废气被供给到PSA系统中进行分离。在一示例性用途中，进料是来自蒸汽甲烷重整装置的废气，包括75mol.％的氢、15mol.％的二氧化碳、3mol.％至4mol.％的一氧化碳、5mol.％的甲烷和0.5mol.％的氮。PSA系统能够从这样的进料中分离出99.9mol.％的氢产品流。

PSA工艺涉及四个基本工序的循环重复：生产、减压、净化和重新加压。首先，在高压下将进料气体混合物供给到包含有吸附材料——通常为氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等——的容器中。进料气体中的杂质吸附在多孔吸附剂的内部表面上，将经净化的气体产品留在容器的空隙空间中。然后在压力下从容器的顶部提取产品气体。然后使吸附容器中的压力降低，并且移出保留在容器的空隙空间中的产品气体。将被吸附的杂质释放回气相，使吸附床再生。然后利用少量的经净化的产品气体净化容器，以完成吸附床的再生。杂质在低压排气流中离开PSA工艺。最后，利用来自减压步骤的产品气体、进料气体和高纯度产品气体的混合物使容器重新加压。在传统PSA系统中，该循环每5到10分钟重复一次。

由于每次循环实质上为批量处理，故通常依次一起使用多个压力容器来提供产品气体的半连续流动。此外，使用大型调节箱来抑制进料、产品流和排气流的流动变化。为了完全利用所采用的吸附材料，PSA系统要求气体贯穿PSA工艺/处理循环的始终均匀地流过(多个)吸附容器。此外，在PSA容器进入和离开区域(即，入口和出口及它们相关联的集管/流管/联管)中的空隙容积和压降对PSA系统的处理性能有不利影响，并且必须在实际的商业操作中最小化。

图1中示出根据本申请中设想的一个示例性实施例的用于执行选择性吸附的系统10。如图所示，该系统接收进料流12并且将它分离成产品流14和杂质流16。系统10设置有吸附容器20，杂质在所述吸附容器中被从进料流12中去除。虽然在图1中示出4个容器20，但在系统10中通常设置有10个容器，并且系统10可包括多达16个容器或更多。通常，容器20并列运行，不过它们可串联连接用于额外的处理效益，例如重新加压。

如图所示，进料流12经供给管路22输送到容器20中。此外，供给管路22连接到压力源24上，用以加压到较高的吸附压力。在PSA循环中的高压产品生产步骤期间，产品流14经出口管路26离开容器20。此外，系统10包括用于在PSA循环中的再生步骤期间去除杂质的杂质管路28。如图所示，杂质管路28可连接到低压装置30上，以从容器20中去除杂质。

现在参照图2，示出了示例性吸附容器20的结构。示例性吸附容器20包括基本上圆柱形的容器壁40，该容器壁从底端42延伸到顶端44并且包封出容器腔室46。如图所示，在底端42中形成有用于接收进料流12以及用于排出杂质流16的入口48。入口48和容器壁40限定出轴线50。此外，在顶端44中形成有用于释放产品流14的产品出口52。

吸附容器20设置有穿孔的支承板60。支承板60限定出平面62，并且可认为该支承板将容器腔室46分成入口区64和吸附区66。如图所示，支承板60坐设在内支承环形件68和外支承环形件70上，并且例如通过螺栓连接结构连接到所述内、外支承环形件上。每个支承环形件68、70都是圆柱形的，并且靠近其各自的顶部被穿孔。如图所示，内支承环形件68以轴线50为中心，外支承环形件70以内支承环形件68为中心。容器20还可包括用于使气流转向的穿孔的转向器72。

在图2中，吸附材料73定位在容器腔室46内位于支承板60上方。如上所述，吸附材料73被选择成选择性地从期望的气体产品中吸附杂质，并且吸附材料可以是例如氧化铝、硅胶、活性炭或分子筛。此外，这些吸附剂可形成多层。例如，在图2中，活性炭的第一吸附层74定位在支承板的顶部并且占总吸附剂体积的60％。沸石分子筛的第二吸附层75定位在活性炭层的顶部并且占吸附剂体积的其余40％。

为了减小容器20中的空隙容积，填充材料80定位在支承板60下方的入口区64内。填充材料80可以是例如聚合物闭孔泡沫体、液体、混凝土、耐火绝缘材料、塑料块、花岗石块、陶瓷球、砂、固体石蜡或它们的组合。如上所述，填充材料——不论是单一材料还是材料的组合物——的总孔隙率小于25％，例如小于20％、小于15％或小于10％。如图所示，填充材料80形成圆环状或环形，并且紧靠内支承环形件68的外表面82。此外，填充材料80紧靠外支承环形件70的内表面84。填充材料80沿容器20的底端42在内支承环形件68与外支承环形件70之间延伸。容器20还可包括用于填充材料80的覆盖件86。覆盖件86可以是用于尤其在运输期间保持填充材料80就位的膜袋或诸如金属薄片的结构元件。如图所示，多个陶瓷球88可定位在外支承环形件70与容器壁40之间的容积中，用以进一步减小空隙容积，以防止吸附材料74沿容器壁40渗漏到支承板60下方，并且有助于流动分布。

填充材料80用于减小容器20中的空隙容积，并用于限定出用于进料混合物的通道或流动路径(箭头92)。流动路径经过支承环形件68、70的穿孔的上部部分。如图所示，流动路径由填充材料80和/或覆盖件86以及穿孔支承板60下方的容器壁40界定。如图所示，容器20具有容器高度100、腔室内径102、吸附床高度104、入口内径106和支承板高度108。

在另一示例性实施例中，吸附容器20具有15.857立方米(或560立方英尺)的容积，以及介于容器容积的3％到15％之间、例如容器容积的6％或8.5％的总入口区容积。在入口区64内，填充材料填充了入口区容积的50％。因此，入口区内的余下空隙容积是容器容积的4％，并且填充材料体积介于容器容积的2％到10％之间、例如容器容积的3％或4.5％。

由于填充材料80的放置、设计和体积，以及材料特性——包括低总孔隙率，所以在不破坏进给气体混合物的均匀流动分布且不增加整个容器中的压降的情况下减小了吸附容器20的空隙容积。因此，提高了处理/工艺效率。例如，空隙容积量的减小使得在PSA处理/工艺循环中的容器减压期间损失到杂质流16中的气体产品(例如，氢)减少了。因此，可以减少循环时间本身，从而减小了所必需的吸附床高度104而不降低从进给气体流中回收产品流14的比例。

因此，已描述了用于从气体产品中分离出杂质的吸附系统和容器。所述吸附容器设置有用于减小空隙容积以提高处理效率的填充材料。虽然在前面的详细描述中已提出至少一个示例性实施例，但应该了解的是，还存在非常多的变型。还应该了解的是，本申请中描述的一个或多个示例性实施例并非意在以任何方式限制要求专利权的主题的范围、适用性或构型。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现所述的一个或多个实施例的方便的途径。应该理解的是，可以在过程中做出各种改变而不脱离由权利要求限定的范围，该范围包括已知的等同方案和在提交本专利申请时可预见的等同方案。

Claims (10)

1.一种用于接收流体混合物(12)以及从该流体混合物中分离出成分的吸附容器(20)，所述吸附容器包括：

容器壁(40)，所述容器壁从底端(42)延伸到顶端(44)并限定出容器腔室(46)；

底部入口(48)，所述底部入口形成在所述容器的底端中用于将所述流体混合物引入到所述容器腔室中；

支承板(60)，所述支承板定位在所述容器腔室中位于所述底端上方，并且限定出在所述支承板与所述底端之间的底部空隙容积；和

填充材料(80)，所述填充材料的总孔隙率小于25％，所述填充材料定位在所述底部空隙容积中，并且限定出用于使所述流体混合物从所述底部入口流动到所述支承板的通道(92)。

2.根据权利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述吸附容器还包括定位在所述容器腔室中位于所述支承板上方的吸附材料(73)，其中所述吸附材料从所述流体混合物中选择性地吸附所述成分。

3.根据权利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述容器腔室限定出容器容积，所述底部空隙容积占所述容器容积的3％到15％，所述填充材料限定出占所述容器容积的2％到10％的填充容积。

4.根据权利要求3所述的吸附容器，其特征在于，所述填充容积占所述底部空隙容积的50％，所述底部空隙容积占所述容器容积的6％。

5.根据权利要求4所述的吸附容器，其特征在于，所述填充容积占所述容器容积的3％。

6.根据权利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述填充材料的总孔隙率小于10％。

7.根据权利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述底部入口限定出轴线(50)，所述容器还包括定位在所述底端中并且环绕所述轴线的内支承环形件(68)，其中所述内支承环形件具有外表面(82)，所述填充材料紧靠所述内支承环形件的所述外表面。

8.根据权利要求7所述的吸附容器，其特征在于，所述吸附容器还包括定位在所述底端中并且环绕所述内支承环形件的外支承环形件(70)。

9.根据权利要求8所述的吸附容器，其特征在于，所述外支承环形件具有内表面(84)，所述填充材料紧靠所述外支承环形件的所述内表面。

10.根据权利要求8所述的吸附容器，其特征在于，所述内支承环形件和所述外支承环形件包括穿孔的上部部分，所述通道经过所述穿孔的上部部分。