CN104936675A - 变压吸附装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于气体处理的变压吸附装置。其包括用于接收气体流的主进口和一个或多个容纳吸附材料的吸附柱体。柱体之间由通道连接，并且该通道具有位于其中的环形凹进，用于接收阀。阀包括由一对截形锥形成的支撑件，并且该支撑件具有从其穿过延伸的槽。阀还具有管状膜，其围绕支撑件并响应于施加至所述膜的气动压力在第一位置与第二位置之间可移动，其中，在第一位置，所述膜不会阻塞槽从而允许气体流动，而在第二位置，该膜阻塞槽从而防止所述气体流经该阀。

Description

变压吸附装置
技术领域
本发明涉及变压吸附装置，并且具体但不限于涉及用于干燥压缩空气或用于生成氮气的多柱变压吸附系统。
背景技术
变压吸附技术为公知的，用于例如压缩空气的干燥或气体的生成。
吸附是一种工艺，其中，通过静电力和分子力将特定分子(被吸附物)附着在高度多孔的固体(吸附剂)的表面。吸附剂具有特定的孔结构，该孔结构为较大孔或巨大孔、稍小孔或中孔、或已知为微孔的很小孔的组合。通常吸附剂被制成为颗粒或珠粒，其用于形成填充床，被吸附物通过该填充床，从而发生吸附处理。很多因素影响吸附速度，这些因素最终确定吸附等温线，并进而确定所需填充床的尺寸。
干燥剂吸附式干燥器用于压缩空气或其他气体的干燥，其中需要压力露点为-70℃、-40℃和-20℃的高纯度。根据ISO8573.1，这些压力露点分别设定为1级湿度等级、2级湿度等级和3级湿度等级。
无热变压吸附(PSA)除湿干燥器由于其简易结构及由此所致的低成本而最普遍。图1中示出无热双塔干燥器(10)的图例。其操作为，当喂入空气向上流经干燥剂的填充床柱体A时，经吸附将水分从喂入空气(通常为7巴(barg))移除至颗粒干燥剂床(12)上。柱体B(之前用于干燥进口空气)处于大气压力，并且来自柱体A出口的干燥净化空气经控制孔/阀喂入，扩散至接近大气压，并以相反的流向经柱体B向下流动。由于将吸收的水分移入压力降低的干燥空气，这影响了颗粒干燥剂床的再生。当柱体A中的干燥剂变得水蒸气饱和时(通常由简单的计时控制器确定)，在喂入空气被加压之后，其转向返回柱体B，并且循环继续。
还已知来自压缩空气源中氮气的生产。通过使用所选的一个或多个碳分子筛(CMS)并且利用上述的变压吸附技术，能够由用户就地完成来自压缩空气的不同纯度氮的供给。当压缩空气经过CMS的柱体时发生分子吸附，在此处氧气被优先吸收进其多孔结构，从而使出口氮气气流达到理想纯度。
再次参照图1描述的双塔PSA氮气产生器(10)，当喂入空气(通常在7-10barg)向上流经CMS的填充床柱体A时，双塔PSA氮气产生器(10)操作为经分子吸附将氧气从喂入空气中移除到颗粒CMS床(12)上。柱体B(之前使用过)被减压，并且由于气体在床内扩散，氧气从CMS释放。来自柱体A出口的废弃的氧气净化气体被喂入控制孔，扩散至接近大气压，并以相反流向向下流经柱体B，以将聚集氧气的床清扫干净。将操作循环设定为能够获得氮气出口气流的理想输出纯度。当柱体A中的CMS变得氧气饱和时(通常由简单的计时控制器确定)，当喂入空气被加压后，其转向返回柱体B，并且循环继续。
图1中示意示出的现有技术描述了PSA吸收器设计，其中，柱体由焊接钢罐(14)制成。用于空气/气体管理的阀通常为经螺纹接合或法兰接合安装在管道中专有的单独阀。
尽管仍普遍使用这些设计，但利用挤出铝的模块化设计的一些其他设计也在市场中使用多年。模块结构的优势要求包括生产上的灵活性、紧凑性、部件的共用性、以及维护的简易性。这些设计已发展为使用特定制造的阀，以保持设计的紧凑性。这些阀具体设计为栓接至共用歧管的端部上，以管理空气/气体经过系统的流动。这些阀设计为在一定的容量范围内共用，其中，这些容量随着所用柱体数量而变化。
图2示出阀的通常设计，其可以用于进口空气流和排出空气流的管理。阀体(28)栓接至歧管(20)的端部和盘阀(30)上，盘阀(30)由气动激励器(柱塞32)操作，气动激励器将阀置于理想位置，以打开或关闭这些阀。气动激励器(32)操作为使用先导阀(未示出)，其由PLC或其他控制装置控制。
这些设计非常可靠，但它们仍具有一些缺点，包括由于总设计需要多个零件而导致高成本。其还具有有限的服务寿命，并且阀盘需要定期维护，由于大部分组件需要更换而使维护成本高。此外，由于空气/气体曲折的路径，发生大量压力损失，并且该设计允许盲区，在盲区中会聚集凝结水。
发明内容
本发明优选实施例的目的在于克服上述现有技术的缺点。
根据本发明，提供用于气体处理的变压吸附装置，该装置包括：
至少一个装置进口，用于接收气体流；
至少一个吸附柱体，其容纳有至少一种吸附材料，该吸附材料用于吸收从其经过的所述气体的至少一种组分；
至少一个通道，其将至少一个所述装置进口与至少一个所述吸附柱体连接，使得所述气体流能够从所述进口通过至所述柱体，所述通道具有位于其中的至少一个凹进，并且所述凹进具有至少一个凹进进口、至少一个凹进出口和至少一个阀控制进口；以及
至少一个阀，其位于所述凹进进口和所述凹进出口之间，所述阀包括：
至少一个支撑件，其具有从其延伸穿过的至少一个缝；以及
至少一个管状膜，其大致包围所述支撑件，响应于经所述阀控制进口施加至所述膜的流体压力，所述膜能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述膜不阻塞所述支撑件的所述缝，从而允许所述气体从所述凹进进口流至所述凹进出口，在所述第二位置，所述膜阻塞所述支撑件的所述缝，从而阻止所述气体从所述凹进进口流至所述凹进出口。
通过提供这样的变压吸附装置，该变压吸附装置具有其中形成有凹进、并且进而由支撑件和管状膜形成的阀插入其中的通道，可提供如下优点。上述提出的类型阀的移动组件数量非常少并且生产起来较便宜。结果，阀的生产成本低，以及具体地，由于整体形成于通道中并且可连接平行柱体阵列的这种类型阀的维修明显简单，维护成本非常低。所有需要做的是保持板的移除以及形成在通道凹进中的支撑件和管状膜的更换。此外，由于阀就座于通道的凹进中，该阀易于生产，从而在变压吸附装置的净化循环期间对于在通道内可能积聚的任意水流不构成障碍。
在一个优选实施例中，吸附材料包括用于从所述气体中吸附水分的至少一种吸附剂。
在另一优选实施例中，吸附材料包括用于从所述气体中吸附氧气的至少一种吸附剂。
在又一优选实施例中，所述通道包括由挤出件形成的大致管状件。
在一个优选实施例中，所述凹进被机加工在所述通道中。
在另一优选实施例中，所述凹进为大致环形。
通过提供机加工为挤出通道的环形凹进，提供这样的优点，以成本效率非常高的方式提供一种非常高效的阀。具体而言，由于将凹进机加工在挤出通道中，而通道这部分仅用于引导流体流动，所以挤出件的精度不是特别重要。然而，用作阀座的凹进必须以相当高的精度形成，以确保为阀提供良好密封。通过将凹进机加工在挤出通道中，这些易于实现。
在一个优选实施例中，所述支撑件包括彼此接合的一对截头锥件，并且所述支撑件中的所述缝延伸经过所述截头锥件的弯曲表面。
在又一优选实施例中，所述缝为槽的形式。
在另一优选实施例中，所述膜具有的厚度大致等于所述凹进相对于所述通道的深度。
通过将凹进深度制造为等于膜厚度，提供这样的优点，其确保对于流体、具体为液体水运动的最简单路径，沿着通道、经过阀并从出口排出。这进而防止装置内积水，积水会导致操作问题。
附图说明
下面参照附图仅以示例而不构成限制的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1是现有技术的变压吸附装置的示意代表；
图2是现有技术装置的一部分的示意截面图；
图3是本发明第一实施例装置的截面图；
图4是本发明第二实施例装置的立体图；
图5是图4中装置的侧视图；
图6是图4中装置的分解立体图；
图7是图6中装置的一部分的分解立体图；
图8是图6中装置的另一部分的分解立体图；
图9A至图9F是用于图5至图8装置中的阀的在打开和关闭位置的立体图、立体截面图及俯视截面图；以及
图10A和图10B是图6至图8中装置的一部分的截面图。
具体实施方式
参照图3至图10，使用用于气体处理的变压吸附装置100来移除气体流中的水分、或生成气体，例如在其他气体处理技术中通过使用碳分子筛移除氧气而生成氮气。这些装置包括一个机构或主进口102，通常来自处于压力下的泵的气体流或气流被接收进入其中。装置100还包括至少一对以及通常为多对的吸附柱体104。图3至图10中示出的实例是双柱体PSA装置。图3中示意示出的装置100具有两对吸附柱体104，而图4至图6中示出的实例包括六对柱体。各吸附柱体104包括至少一种吸附材料，用于吸附从其中经过的气体流中的至少一种组分。这些吸附材料可以为颗粒材料或粒珠材料的形式，或者为系列吸附材料管的形式。其中，吸附材料的实例包括分子筛、活性氧化铝、硅胶以及碳分子筛。
这些装置还包括通道106，其形成在挤出件108中。通道106提供主进口102和使气体流经过的吸附柱体104之间的连接。该通道包括至少一个凹进(recess)110，在图7至图8中示出的实例中为两个凹进110，凹进110被机加工在挤出件108的通道106中。由于挤出件108就座于向左右组柱体对提供空气流的成对柱体104下方，挤出件108包括两个通道106，一个用于左侧柱体，以及一个用于右侧柱体。凹进110包括在凹进一端的凹进进口112、在凹进另一端的凹进出口114、以及在凹进进口112和凹进出口114之间的阀控制进口116，该阀控制进口116延伸穿过挤出件108的壁。
凹进110内的设置是阀118，其包括管状膜120和支撑部122形式的两个组件。
具体参照图9，支撑部122为一对截断的中空锥124形式，该对截断的中空锥124在其较小端处由连接中央部126的固体接合，中央部126本身为截头锥132。锥124的曲面128具有穿过其延伸的槽型缝130，中央部126不具有这种缝。结果，当支撑部122位于管状凹进110内时，气体流或气流能够经支撑件通过并进入通道106。气体流所走路径为经基底进入截头锥，并经过槽型缝130，从而进入锥外表面与凹进壁之间的空间。然后，该路径使气体在经过凹进出口114以及进入通道106之前经过另一锥的外表面中的缝130。中央部126的截头锥132有助于将空气流引导进入槽130。槽的尺寸形成为使得槽外端，即远离中央部126上锥132的一端，大致与膜120的内表面一致，以帮助在通道106中偶尔凝结的水经阀流动并流出。这样防止在通道中形成积水。
在三个部件中形成支撑部。中央盘134(其仅在图9的截面图中可见)具有一对支撑钉136，其从盘的每一侧的中心垂直延伸。支撑部122的其余部分由一对相同的支撑体138形成，其包括截头锥124和132以及钉状凹进140。通过将支撑体138简单地压制到盘134上以使钉136进入钉状凹进140，而构成支撑部122。
管状膜120围绕支撑部122安装，并由柔性材料诸如丁腈橡胶形成。膜120具有足够柔性，使其能够从松弛状态移动至张紧状态。在松弛状态下，其中，阀打开以使气体通过其转移，膜120的内表面与支撑部122接合。然而，进入阀的气体压力由于其穿过槽130而易于足以推动膜远离支撑部122，从而压迫管状膜的外表面，使得其与凹进110的内表面接合或接近(参加图9A、9C和9E)。在张紧状态下，其中，阀对于通过其的气体转移关闭，管状膜的内表面与支撑部122的锥124的外表面相接合，以阻塞缝130(参加图9B、9D和9F)，并通过经阀控制进口116施加气动压力而保持在该位置。膜在各端具有保持脊142，其在支撑部122各端的最外缘适配进各保持凹进144中。
装置100还包括进口块146和排出块148，除了其他功能之外，它们将阀118保持在挤出件108的凹进110中，在使用中，挤出件108位于柱体104下方。进口块146位于与控制空气流入装置的阀118相邻，并且排出端块148位于与当净化空气经柱体104流回时控制净化空气排出的阀118相邻。
第二挤出件150位于柱体104上方，并与挤出件108相似的方式操作，以将多个柱体104连接在一起。出口端块152类似于排出端块148，位于第二挤出件150的一端。第二挤出件150中的凹进154(相当于挤出件108中的凹进110)含有阀156。这些阀156形成为与阀118相同，除了管状膜158大致具有膜120的一半长度，从而允许阀156充当单向阀。图10A和图10B通过阀156示出了该操作。在图10A中，通过使膜158移动脱离与支撑件138的接合并移动至出口端块152，经阀156的空气流被允许作为来自柱体的经过阀的气体。相反，在图10B中，反向的空气流被阻止作为如下气体流，该气体流将处于其松弛位置的变短膜158压抵支撑体138之一中的缝130。应该注意到，与挤出件108中的阀118不同，没有部件相当于阀控制进口116，并且这些阀不是由单独的气动压力控制。然而，作为选择以及如在氮气生产系统中所应用的，上述类型并且附图标记为118的阀用于控制经出口块152的气体流。
现在描述PSA装置100的使用。气体流，通常为空气流，经主进口102被泵送进装置100。在装置100操作的同时，一组柱体例如图6至图8中示出的左侧上的一行柱体104处于操作状态，而在右侧的其他柱体104处于净化模式。在操作侧的通道106任一端的两个阀118布置为，使得与进口端块146相邻的凹进110内的阀为打开的，并允许气体流进入通道106并经过操作柱体104。通过经与排出端块148相邻的凹进110内的阀控制进口116施加压缩空气，在与排出端块148相邻的凹进110内的另一阀被关闭。结果，防止气体流从通道106排出至排出端块148。由于气体流经过柱体104，在其中包含的吸附剂材料上会发生吸附。所发生的具体吸附取决于材料以及装置100被设计承担的工艺过程。
其他柱体104在净化模式操作，并且结果是与进口端块146相邻的阀118关闭，从而防止任意气体流进入装置100的该侧的通道106。同时，与排出端块148相邻的阀118打开，从而允许柱体104减压并经排出管160排出气体。由于柱体内以及第二挤出件150中的通道内的压力降低，阀156关闭，因此阻止任意干燥空气损失。结果，在净化模式期间，用于再生柱体104的净化空气为容纳在柱体和第二挤出件150的通道内的干燥空气。可选地，来自操作柱体的干燥或富氮空气中的一些以接近大气压力被喂入净化柱体，以帮助被吸附物的净化。
PSA装置100以该方式继续操作一段预定时段，当可操作柱体开始变得饱和，无论是否移除其吸附剂材料，柱体切换操作，因此被净化的柱体变得可操作并且操作柱体开始净化。通过将阀118从关闭切换至打开来实现上述操作，反之亦然。
该领域技术人员可以理解，仅以示例方式描述了上述实施例，并不构成限制，并且在不偏离所附权利要求限定的本发明范围的基础上可进行各种变形和变化。

Claims (10)

1.一种用于气体处理的变压吸附装置，所述装置包括：
至少一个装置进口，用于接收气体流；
至少一个吸附柱体，其容纳有至少一种吸附材料，该吸附材料用于吸收从其经过的所
述气体的至少一种组分；
至少一个通道，其将至少一个所述装置进口与至少一个所述吸附柱体连接，使得所述气体流能够从所述进口通过至所述柱体，所述通道具有位于其中的至少一个凹进，并且所述凹进具有至少一个凹进进口、至少一个凹进出口和至少一个阀控制进口；以及
至少一个阀，其位于所述凹进进口和所述凹进出口之间，所述阀包括：
至少一个支撑件，其具有从其延伸穿过的至少一个缝；以及
至少一个管状膜，其大致包围所述支撑件，响应于经所述阀控制进口施加至所述膜的流体压力，所述膜能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述膜不阻塞所述支撑件的所述缝，从而允许所述气体从所述凹进进口流至所述凹进出口，在所述第二位置，所述膜阻塞所述支撑件的所述缝，从而阻止所述气体从所述凹进进口流至所述凹进出口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述吸附材料包括用于从所述气体中吸附水分的至少一种吸附剂。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述吸附材料包括用于从所述气体中吸附氧气的至少一种吸附剂。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述通道包括由挤出件形成的大致管状件。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述凹进被机加工在所述通道中。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述凹进为大致环形。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述支撑件包括彼此接合的一对截头锥件，并且所述支撑件中的所述缝延伸经过所述截头锥件的弯曲表面。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述缝为槽的形式。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述膜具有的厚度大致等于所述凹进相对于所述通道的深度。
10.大致如上述参照附图中图5至图10的用于气体处理的变压吸附装置。
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