CN107073383A - 具有旋转式干燥器的吸附器 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过吸附纯化气体流的(V)PSA单元，该单元包括在进料气体流的流动方向上依次安排的以下项：‑旋转结构化吸附剂轮，该吸附剂轮被配置为驱动该气体流以轴向方式从其中通过并且允许将该进料气体干燥到对应于低于‑30℃的露点的水平；以及‑具有向心径向配置的吸附器，该吸附器包括颗粒吸附剂床。

Description

具有旋转式干燥器的吸附器
本发明涉及一种吸附纯化单元，该吸附纯化单元包括再生部件和填充有颗粒吸附剂的吸附器的组合，该再生部件包括结构化吸附剂。
当要生产、分离或纯化气体时，可以使用吸附方法。通常使用几个填充有吸附性材料的吸附器，这些吸附性材料相对于进料流的至少一种成分是选择性的。存在两种主要的吸附器技术，一种是轴向床吸附器，并且另一种是径向床吸附器。在第一种情况下，气体竖直地流通通过吸附床，在第二种情况下，气体径向地流通，或者是从内向外(相对于吸附阶段)呈离心配置，或者从外向内呈向心配置。
在本发明的上下文中，将分别提及PSA(变压吸附)、VSA(真空变压吸附)和(V)PSA(表示这两种单元中的一种或另一种而且还有这两种单元的组合)。
轴向技术不是非常昂贵的，但是当处理高流速时，压降和摩擦的问题成为限制。因此，从待处理的一定流速开始，一种解决方案包括变为径向几何形状，该径向几何形状导致压降的限制而不增加吸附器的半径。确切地，径向吸附器对于给定体积的吸附器提供增加的流动面积，并且理论上不受到相对于磨损现象的限制。吸附剂的床可以悬挂在通过顶部悬挂的竖直穿孔的格栅之间。此径向技术的最知名的缺点是死体积的增加和高的制造成本。
然而，当相比于其他床，一个床具有更小尺寸时，与此径向技术关联的另一个缺点出现。
例如，PSA或TSA吸附方法将被认为是包括两种类型的吸附剂(A和B)，要求在吸附阶段使气体在B之前穿过A并且为此所需的吸附剂B的量相对于量A是非常大的。由于吸附器包括2个床，3个格栅通常用来保持颗粒材料。在向心径向配置中，材料A位于“外部”格栅与“中间”格栅之间，而材料B被保持在同一中间格栅与“内部”格栅之间。于是此A/B不均衡性一方面突出构建所述径向吸附器的困难，由于外和中间格栅的直径是相似的，并且因此使得难以维持床的均匀厚度，由于这些格栅的非理想的特征和可能的变形(可能导致在筛网厚度较小的区域中的优先路径)。
为了克服这些缺点，一种解决方案是反转气体的流动方向以及还有吸附剂的分布，这样使得吸附剂A是在内格栅与中间格栅之间并且吸附剂B是在该中间格栅与外格栅之间。随着在吸附阶段中气体从容器内部向外部的流动，吸附器因此呈“离心径向”的配置(图1)。
然而，这种离心配置可以证明是比向心的解决方案更低能效的。将提及，例如，O2VSA方法的情况，其中这种离心配置大幅增加了压降并且因此不利于该方法的比能量，以及还有TSA方法的情况，其中从外向内的再生将增加热损失。
O2 VSA方法通常由两个床组成，第一个床为氧化铝的低体积层(硅胶或某些沸石也单独或组合地被使用)，其目的是阻止包含在进料空气中的水，并且第二个床是相对于氧气选择性地保留氮气的沸石层。
使得能够保持向心配置(被称为“蘑菇”配置)的一种几何结构已用于这些O2 VSA方法。它包括在吸附器的底部安装一层粒状的氧化铝，该氧化铝被保持在两个格栅之间(其中流体径向流通)、或更简单地放置呈轴向配置。虽然这种解决方案使得能够保留沸石的向心径向配置，然而它使构建大大复杂化并导致显著额外的成本。
还加入到这些流体动力学问题中的是与几种选择性吸附剂的存在关联的缺点。提及O2 VSA方法的情况，使用呈粒状形式的氧化铝(该氧化铝如上所述具有使待处理的气体脱湿的作用)现今限制了此类方法的性能水平，特别是比能量和生产率。确切地，将氧化铝层添加到吸附器中大大增加了死体积以及还有压降。最后，氧化铝，由于其物理特性，充当热绝缘体/储能器，导致在与筛网的界面处的制冷量的储存，一种大大不利于系统的比能量的现象。从使用的一种或多种其他吸附剂中分离氧化铝将因此使得有可能受益于泵送能量的显著节省。
从那里开始，面临的一个问题是提供一种新颖的配置，该配置使得能够克服所有这些缺点。
本发明的一种解决方案是一种用于纯化气体流的(V)PSA类型的吸附单元，该吸附单元在进料气体流的流动方向上依次包括：
-旋转结构化吸附剂轮，该吸附剂轮被配置为驱动该气体流以轴向方式从其中通过并且使得可能将进料气体干燥到对应于低于-30℃的露点的水平，(其随后将被描述为“干”流)；和
-向心径向配置的吸附器，该吸附器包括颗粒吸附剂床。
表述“颗粒吸附性材料”应理解为是指一种吸附剂，该吸附剂是呈具有毫米尺寸的颗粒、珠粒、棒等的形式，总体上具有在从0.5延伸到5毫米的范围内的等效直径(相当于相同体积的球体的直径)。
表述“结构化吸附剂”应理解为是指具有范围从几厘米到几米的尺寸并且具有对气体开放的通道的固体材料，例如整块料、泡沫或织物。这些结构化吸附剂具有(相比于粒状吸附剂)使能够实现非常好的动力学和非常低的压降而不展现已知的磨损限制的显著特征。虽然这些结构现今比粒状吸附剂贵得多，如果伴随着相当大的压降节约和/或构建吸附器的成本的显著降低(经由吸附剂体积降低或构建的简化)，其完全替代粒状床的经济优势可以证明是决定性的。
优选使用的结构化吸附剂是平行通路接触器。表述“平行通路接触器”应理解为是指其中流体进入通道的装置，这些通道的壁含有该吸附剂。流体在这些通道中流通，这些通道基本上是无障碍物的，这些通道使流体能够从接触器的入口流通到出口。这些通道可以是直线的，将接触器的入口直接连接到出口，或可具有方向的变化。流体，在其流通过程中，与在所述壁上存在的至少一种吸附剂接触。
视情况而定，根据本发明的单元可以具有以下特征中的一项或多项：
-吸附剂轮包括至少一个专用于吸附的区域和至少一个专用于再生的区域；
-该专用于再生的区域至少包括第一部分，该第一部分经受热流，即，在高于进料流的温度、优选高于进料流的温度至少20℃的温度下；以及第二部分，该第二部分经受一个流(冷流)，该流处于低于该第一部分经受的流(热流)的温度的温度下、优选在进料流加或减10摄氏度的温度下；
-该吸附器由一个圆柱形壳体和两个端壁组成并且颗粒吸附剂床借助于同心地放置的两个穿孔格栅保持在位；
-颗粒吸附剂的体积与结构化吸附剂的体积的比率是在2与100之间；
-该颗粒吸附剂包括氧化铝、硅胶、活性炭、MOF或A、X或Y类型沸石的珠粒；
-该结构化吸附剂包括通道，这些通道的壁含有吸附剂；
-包含在这些通道的壁中的吸附剂选自氧化铝、硅胶、活性碳、或A、X或Y类型沸石。
本发明的另一个主题是一种用于使用根据本发明的纯化单元纯化气体流的吸附方法，其中吸附剂轮遵循压力循环，该压力循环包括吸附步骤和再生步骤，并且该吸附剂轮的旋转在每个吸附步骤结束时进行。
视情况而定，根据本发明的方法可具有以下特征中的一项或多项：
-该吸附剂轮包括至少一个专用于吸附的区域和至少一个专用于再生的区域，该专用于吸附的区域接收进料气体流，该专用于再生的区域接收再生气体流，并且，以连续的方式，通过该吸附剂轮的旋转，该专用于吸附的区域变为该专用于再生的区域，并且相反地，该专用于再生的区域变为该专用于吸附的区域；
-在向心径向配置的吸附器的出口，经纯化的流和残余流被回收；
-该经纯化的流或残余流作为再生流用于向心径向配置的吸附器；
-所述方法是O2 VSA方法；
-所述方法处理至少10 000Nm3/h的空气流率。
优先使用的结构化吸附剂是呈轮的形式，从而使其能够被几个专用区域共用。术语“区域”应理解为是指至少一个专用于吸附阶段的区域B1和至少一个专用于再生阶段的区域B2(图3)。
具有仅单一的选择性吸附剂的向心径向吸附器的操作在图2中示出。待纯化或待分离的流体1进入径向吸附器10的底部部分，穿过吸附物质20，并且产物从上部部分2离开。在再生期间，再生流体3经由顶部部分逆流进入，使吸附物质20中含有的杂质脱附，并且残余气体4从底部部分离开。吸附器10本身由具有竖直轴线AA的圆柱形壳体和两个端壁组成。将该吸附物质借助于固定到上端壁上的外部穿孔格栅11和同样内部穿孔格栅12并且借助于在下部部分中的实心金属板13保持在位。气体1在圆柱形壳体与外部格栅之间的外部自由区域14内的周边处竖直流通，径向穿过吸附物质20，然后在经由顶部离开吸附器之前在内部自由区域15中竖直流通。再生是在反向上进行的。
具有几个专用的扇区的“旋转的”轮的操作在图4中示出。有待干燥或有待分离的进料气体流1经由区域1进入轮A的底部部分，干产物然后在2处离开。再生是在反向上进行的，热流到达3，经由区域2穿过轮A；该流，然后载有杂质，在4处离开。一个任选的区域3可以用于轮A的完全再生并且用于尽可能好地准备下一吸附阶段，所使用的冷流在5处进入并且在6处从扇区3离开。值得注意的是，优选的是在变为吸附之前冷却该吸附剂物质，以便避免扰乱下游工艺并且更简单地，因为如果该吸附物质是热的，它不能吸附非常多。此流必须强制地是干燥的，即，具有低于-30℃的露点。
在O2 VSA方法的情况下，空气流的提供和吸附剂体积的再生是由通常体积型的旋转机器进行。常规地，使用的是罗茨(Roots)技术的机器，同时用于吹送/压缩进入的空气和用于吹扫吸附器，分别被称为“鼓风机”和“真空泵”。本发明倾向于真空泵技术，该技术使得有可能提供在80℃以上的温度下的干燥气体或任选地具有低湿度的气体，或倾向于使得有可能提供干热气体的最终氧气压缩机。
所述径向吸附器和所述轮的偶联操作在图5中示出。有待纯化或有待分离的流体1经由通常吹送类型的旋转机器A被压缩，然后经由流2传送至轮B。流2经由专用于纯化的区域B1穿过轮B的吸附剂物质。因此，经纯化的流3被送到径向吸附器。最终产物经由流4以向心流通离开吸附器C。再生是在反向上进行的，杂质经由流5借助通常真空泵类型的旋转机器D解吸。通过旋转机器D的操作加热的杂质流6进入所述干燥剂轮B的再生扇区B2。含所述径向吸附器C和所述轮B的杂质的流7被送到排放孔。
另一种可能的操作图解呈现于图6中。呈现的方法的总体操作类似于图5的总体操作。干燥剂轮B的再生，经由区域B2，这次借助于源于最终产物压缩机E的干热流5进行。流6然后包含可升级的产物以及还有干燥剂轮B中包含的杂质。
最后，任选的第三区域可用于干燥剂轮。图7提出了这种操作模式的图示。因此，干燥剂轮B的再生区域的任选的冷却，特别通过使用区域B3，可经由流10进行，该流借助于在旋转机器D的出口处安装冷回路E预冷。此任选的冷却使得有可能完成干燥剂轮B的再生并且尽可能好地准备专用于吸附阶段的区域B1。
经由位于干燥剂轮与真空泵之间的热交换器使用冷回路是任选的。
干燥剂轮的旋转速度和循环与该(V)PSA方法的操作循环相关联。
根据本发明的吸附方法具有以下优点：
-使得有可能从离心配置变为更高能效的向心配置；
-使得有可能无需在径向部分中的格栅，这显著简化了吸附器的构建，并直接导致此吸附器的成本降低；
-使能够降低在进料侧上的死体积，该死体积通常有损于(V)PSA方法的性能水平；
-使得有可能克服由氧化铝(或其等效物)引起的制冷量的储存问题；
-使能够能量整合，尤其是通过受益于用于再生所述干燥机轮的真空泵(或任选安装的最终产物压缩机)的排出热。
呈现的根据本发明的单元可以用于各种PSA方法，例如必须生产高纯度的氢气的H2 PSA方法，以及CO2 PSA和O2 PSA方法等。它也可以用于干燥、脱碳酸或阻止气体流的次要杂质(尤其来自大气中的)。表述“次要杂质”应理解为是指痕量的烃、NOx、SOx等。
最后，根据本发明的吸附器可用于O2 VSA方法中，这些方法使得有可能处理范围从一千到大于40 000Nm3/h、或甚至大于60 000Nm3/h的空气流速。
通过举例，大型的O2 VSA方法(使有可能生产大于30吨/天的具有大于90％的标准纯度的氧气)展现出为径向和离心配置以便保持足够大的氧化铝厚度的经济优势。
对于该O2 VSA方法的情况，使得有可能具有偶联的向心径向配置的根据本发明的一种解决方案将是如下：
-结构化吸附剂(包括氧化铝或硅胶)的旋转轮产生小的压降并且将进料气体的露点降低至低于-30℃的温度，并通过该旋转轮该气体将轴向流通；和
-由粒状LiLSX筛网构成的颗粒吸附剂的床，旨在用来分离氧气与氮气并且在所述向心吸附器中通常置于两个同心的格栅之间，且其热的残余气体用于再生下游的旋转单元。

Claims (13)

1.一种用于纯化气体流的(V)PSA类型的吸附单元，该吸附单元在进料气体流的流动方向上依次包括：
-旋转结构化吸附剂轮，该吸附剂轮被配置为驱动该气体流以轴向方式从其中通过并且使得可能将该进料气体干燥到对应于低于-30℃的露点的水平，该吸附剂轮包括至少一个专用于吸附的区域和至少一个专用于再生的区域；和
-向心径向配置的吸附器，该吸附器包括颗粒吸附剂床。
2.如权利要求1所述的纯化单元，其特征在于，该专用于再生的区域包括：至少第一部分，该第一部分经受具有高于进料流的温度的温度的流；以及优选地至少第二部分，该第二部分经受具有低于该第一部分经受的流的温度的温度的流。
3.如权利要求1和2中任一项所述的纯化单元，其特征在于，该吸附器由一个圆柱形壳体和两个端壁组成并且该颗粒吸附剂床借助于同心地放置的两个穿孔格栅保持在位。
4.如权利要求1至3之一所述的纯化单元，其特征在于，颗粒吸附剂的体积与结构化吸附剂的体积的比率是在2与100之间。
5.如权利要求1至4之一所述的纯化单元，其特征在于，该颗粒吸附剂包括氧化铝、硅胶、活性炭、MOF或A、X或Y类型沸石的珠粒。
6.如权利要求1至5之一所述的纯化单元，其特征在于，该结构化吸附剂包括通道，这些通道的壁含有吸附剂。
7.如权利要求6所述的纯化单元，其特征在于，包含在这些通道的壁中的该吸附剂选自氧化铝、硅胶、活性碳、或A、X或Y类型沸石。
8.一种用于使用如权利要求1至7之一所述的纯化单元纯化气体流的吸附方法，其中该吸附剂轮遵循压力循环，该压力循环包括吸附步骤和再生步骤，并且该吸附剂轮的旋转在每个吸附步骤结束时进行。
9.如权利要求8所述的纯化方法，其中：
-该吸附剂轮包括至少一个专用于吸附的区域和至少一个专用于再生的区域，
-该专用于吸附的区域接收该进料气体流，
-该专用于再生的区域接收再生气体流，并且
-以连续的方式，通过该吸附剂轮的旋转，该专用于吸附的区域变为该专用于再生的区域，并且相反地，该专用于再生的区域变为该专用于吸附的区域。
10.如权利要求8和9中任一项所述的纯化方法，其特征在于，在该向心径向配置的吸附器的出口处，经纯化的流和残余流被回收。
11.如权利要求10所述的纯化方法，其特征在于，该经纯化的流或该残余流作为再生流用于该向心径向配置的吸附器。
12.如权利要求9至11之一所述的纯化方法，其特征在于，所述方法是O2 VSA方法。
13.如权利要求12所述的纯化方法，其特征在于，所述方法处理至少10 000Nm3/h的空气流速。
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