CN108883358A - 用于与其相关的变吸附工艺的装置和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于执行变吸附工艺的装置和系统。该变吸附工艺可以包括使流通过吸附床单元以从流移除污染物例如水。作为该工艺的一部分，吸附床单元可以提供到吸附床单元内的吸附性材料的通路，而不必移除阀、导管和歧管中的一个或多个。

Description

用于与其相关的变吸附工艺的装置和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月18日提交的、发明名称为“用于与其相关的变吸附工艺的装置和系统(APPARATUS AND SYSTEM FOR SWING ADSORPTION PROCESSES REALTEDTEHRETO)”的美国临时专利申请62/310,289的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本技术涉及与改进变吸附工艺相关联的系统和方法。特别地，该系统涉及利用吸附床单元从进料流移除污染物的变吸附工艺。
背景技术
气体分离在许多工业中是有用的，并且通常可以通过使气体混合物在吸附性材料上流动而实现，所述吸附性材料优先吸附进料流中的一种或多种气体组分，而不吸附一种或多种其他的气体组分。未被吸附的组分作为独立产品被回收。通过吸附而分离气体组分是以各种不同的方法执行的常规技术。例如，吸附分离可以基于各种气体组分的平衡亲和能的差异(例如，平衡分离)或者基于气体组分的吸附动力学的差异(例如，动力学分离)。
一种特定类型的气体分离技术是变吸附例如变温吸附(TSA)、变压吸附(PSA)、变分压吸附(PPSA)、快速循环变压吸附(RCPSA)、快速循环变分压吸附(RCPPSA)，而且不限于前述工艺的组合，例如变压和变温吸附。作为示例，PSA工艺依赖于当气体组分处于压力下时某些气体组分更容易吸附在吸附性材料的孔隙结构内或自由容积内的现象。也就是说，气体压力越高，则吸附的易被吸附气体的量越大。当压力减小时，所吸附的气体组分从吸附性材料释放或解除吸附。
变吸附工艺(例如，PSA和TSA)可以用于分离气体混合物的气体组分，原因在于不同的气体组分倾向于以不同的程度填充吸附性材料的微孔隙。例如，如果诸如天然气这样的气体混合物在压力下经过吸附床单元(其可以被称为吸附床单元或容器)，该吸附床单元包含对二氧化碳比对甲烷更具选择性的吸附性材料，则二氧化碳的至少一部分会由吸附性材料选择性地吸附，并且离开吸附床单元的气体富含甲烷。当吸附性材料达到其吸附二氧化碳的容量的终点时，通过减小压力、由此释放所吸附的二氧化碳而使其再生。然后通常对吸附性材料进行吹扫和再加压。然后，将吸附性材料准备好进行另一次吸附循环。
变吸附工艺通常涉及吸附床单元，其包括布置在吸附床单元的壳体内的吸附性材料。这些吸附床单元在吸附床结构中使用不同的填充材料。例如，吸附床单元使用格子砖、卵石床或其他可用的填料。作为改进，一些吸附床单元可以在吸附床结构内使用工程填料。工程填料可以包括以特定配置例如蜂窝、陶瓷形式等提供的材料。工程填料可以由吸附性材料形成，或者可以是结构或支撑件上的涂层。
此外，各种吸附床单元可以与导管、歧管和阀联接在一起以管理流体的流动。安排这些吸附床单元涉及将每个吸附床单元的循环与系统中的其它吸附床单元的循环进行协调。完整的循环可以在数秒到数分钟之间变化，原因是该循环将多股气流传送通过一个或多个吸附床单元。
然而，由于若干要求严格的技术因素，变吸附工艺(例如快速循环吸附工艺)存在一些挑战。这些因素可以包括保持通过吸附床的低压降、到达吸附床和在吸附床内的良好流动分配以及在吸附床中浓度前沿的最小分散(例如，轴向散布)。此外，另一个因素可以包括快速循环时间，其涉及快速作用和低死区容积阀。最后，另一个因素可以是吸附床单元应当配置成在一定的压力下容纳吸附床，以支持快速作用阀并且使吸附床单元内的死区容积最小化。
这些挑战对于吸附床单元的维护来说甚至更为复杂。常规的快速循环吸附床单元配置为具有平坦端板(头部)的竖直圆筒，以便使死区容积最小化。流体通过安装在与吸附性材料相邻的平坦头部上的快速作用阀进入和离开吸附床单元。阀在头部上的位置导致对于更换吸附床的重大挑战。例如，在常规的吸附床配置中，吸附床的一个端部上的阀必须与任何关联的歧管和/或导管一起移除以提供到吸附床的通路。阀、歧管和导管的移除是劳动密集性的、耗时的并且增加了系统的运行成本。因而，更换单元中的吸附床是有难度的。
因此，在工业中仍然需要对管理流体到吸附床的流动提供改进的装置、方法和系统。本技术通过提供经过头部到达吸附床单元内的吸附性材料的通路而克服了常规的变吸附方法的缺点。与常规的方法和系统相比，本技术减少了维护停机、降低了与吸附床单元的维护相关联的工作量和成本。
发明内容
在一个实施例中，本技术描述了一种用于从气态进料流移除污染物的循环式变吸附床单元。循环式变吸附床单元可以配置成从气态进料流移除污染物。所述循环式变吸附床单元包括：形成内部区域的壳体，所述壳体包括固定在第一头部和第二头部之间的本体部分；布置在所述内部区域内的吸附床；以及固定到所述壳体的多个第一阀，其中所述多个第一阀中的每一个配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从所述壳体外部的位置通过导管延伸到所述吸附床，其中所述多个第一阀中的每一个具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的阀横截面区域。
在另一个实施例中，描述了一种用于从进料流移除污染物的工艺。所述工艺包括：a)在吸附床单元中执行一个或多个吸附步骤，其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括：(i)打开至少一个第一提升阀以将气态进料流从进料入口导管传送到布置在所述吸附床单元的壳体的内部区域中的吸附床，其中所述至少一个第一提升阀与所述进料入口导管直接流动连通并且配置成控制沿着流动路径的流体流动，该流动路径从所述壳体外部的位置通过所述进料入口导管延伸到所述吸附床，其中至少一个第一提升阀具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的第一阀横截面区域，(ii)将气态进料流暴露于所述吸附床以从气态进料流分离一种或多种污染物从而形成产品流，以及(iii)打开一个或多个产品提升阀以将产品流从所述壳体中的内部区域导出到产品导管；b)执行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括将吹扫流传送到所述吸附床单元中以在吹扫输出流中导出一种或多种污染物的至少一部分，其中吹扫输出流经过至少一个第二提升阀，其中至少一个第二提升阀具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的第二阀横截面区域；以及c)在至少一个附加循环中重复步骤a)至b)，其中循环持续时间为大于1秒且小于600秒的时段。所述工艺可以包括：中断循环；在所述至少一个第一提升阀和至少一个第二提升阀附近从所述吸附床单元移除头部以将开口暴露于所述内部区域；以及从所述内部区域移除所述吸附床，其中所述至少一个第一提升阀和至少一个第二提升阀联接到所述吸附床单元。所述工艺还可以包括：将第二吸附床布置到所述内部区域中；将所述头部固定到所述吸附床单元；以及恢复所述工艺的循环。而且，所述工艺可以包括用热膨胀环在所述内部区域内引导所述吸附床单元。
附图说明
通过研读以下对于实施例的非限制性示例的详细描述和附图，本公开的前述和其他的优点可以变得显而易见。
图1是具有六个常规吸附床单元和互连管道的变吸附系统的三维图。
图2是常规吸附床单元的局部视图的示意图。
图3是在吸附床的相应端部处的过量死区容积的不利影响的差异的曲线图。
图4A和4B是根据本技术的替代实施例的具有关联阀组件的吸附床单元的一部分的图。
图5A、5B、5C和5D是根据本技术的替代实施例的具有关联阀组件的吸附床单元的一部分的附加图。
图6A、6B、6C、6D和6E提供了根据本技术的实施例的具有各种结构元件的导管。
图7A、7B、7C、7D、7E和7F是根据本技术的实施例的示例性吸附床单元的图。
图8A、8B和8C是根据本技术的实施例的吸附床单元的一部分和关联热膨胀环的图。
图9A、9B、9C、9D和9E是根据本技术的实施例的捕获机构的图。
图10A、10B和10C是根据本技术的实施例的具有四个吸附床单元和互连管道的变吸附系统的三维图。
图11A、11B、11C、11D、11E和11F是根据本技术的实施例的替代吸附床单元配置的图。
图12是根据本技术的实施例的布置在消音系统(acoustic dampening system)中的吸附床单元的三维图。
具体实施方式
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。除非上下文另有明确说明，否则单数术语“一”、“一个”和“这个”包括复数指代含义。类似地，除非上下文另有明确说明，否则词语“或”旨在包括“和”。术语“包括”表示“包含”。除非另有说明，否则本文提及的所有专利和公开文献均以全文引用的方式并入本文。在关于术语或短语的含义发生冲突的情况下，包括术语的解释的本说明书占主导地位。本文中使用的诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“竖直”和“水平”这样的方向术语用来表达和阐明各种元件之间的关系。应当理解，这样的术语不表示绝对取向(例如，“竖直的”部件可以通过装置的旋转而变为水平)。本文引用的材料、方法和示例仅仅是示例性的而非限制性的。
如本文所使用，“流”是指被引导通过各种设备的流体(例如，固体、液体和/或气体)。所述设备可以包括导管、容器、歧管、单元或其他合适的装置。
如本文所使用，“导管”是指形成通道的管状构件，通过所述通道输送物料。导管可以包括管路、歧管、管道等中的一个或多个。
术语“直接流动连通”或“直接流体连通”表示直接流动连通而没有用于阻碍流动的中间阀或其他封闭装置。然而，术语“直接流动连通”可以包括用以沿着流动路径分配流动的分配器或其他分配机构。应当领会，也可以在本技术的范围内设想其他变型。
术语“接口横截面区域”表示流在此进入或离开吸附床的吸附床端部的横截面区域。例如，如果进料流在第一端部处进入吸附床，则第一端部的横截面区域就是接口横截面区域。应当领会，也可以在本技术的范围内设想其他变型。
术语“阀横截面区域”表示相对于流在此进入或离开阀的阀端部的阀的横截面区域。例如，阀开口可以是阀横截面区域。特别地，对于提升阀，盘元件移动以在盘元件处于打开位置时提供围绕盘元件的流动通道。因此，由盘元件远离阀座的移动而形成的阀开口用于确定提升阀的阀横截面区域，其可以是盘元件的横截面区域。应当领会，也可以在本技术的范围内设想其他变型。
术语“至少部分地布置在接口横截面区域内的阀横截面区域”表示当沿着遵循主要流动路径直接穿过吸附床的轴线观察时阀横截面区域至少部分地位于接口横截面区域内。例如，吸附床在流进入或离开吸附床的一个端部处具有接口。该接口具有长度和宽度，而深度是流沿着通过吸附床的主要流动路径的流动方向。
术语“布置在接口横截面区域外侧的阀横截面区域”表示当沿着遵循主要流动路径直接穿过吸附床的轴线观察时阀横截面区域位于接口横截面区域外侧或延伸超出接口横截面区域。例如，吸附床在流进入或离开吸附床的一个端部处具有接口。该接口具有长度和宽度，而深度是流沿着通过吸附床的主要流动路径的流动方向。
术语“布置在接口横截面区域内的阀横截面区域”表示当沿着遵循主要流动路径直接穿过吸附床的轴线观察时阀横截面区域位于接口横截面区域内或位于接口横截面区域中。
本技术涉及利用快速循环吸附床从进料流(例如天然气)移除污染物的变吸附工艺(例如快速循环工艺)。本技术平衡了吸附床单元内的死区容积以及与吸附床单元关联的维护和可操作性。在许多配置中，阀布置在吸附床单元的头部中以减少变吸附工艺的死区容积。然而，由于吸附性材料必须定期更换(例如，每年一次或每两年一次)，因此到吸附性材料的通路通常涉及到移除阀、移除关联的导管和移除关联的歧管以提供到吸附性材料的通路。这种设备的移除是劳动密集性的、为系统引入了故障点并且延长了吸附床单元的维护所用的时间段。因此，本技术提供了一种吸附床单元，其容纳到吸附性材料的必要通路，同时以特定配置管理吸附床单元的死区容积以减少缘于额外死区容积的性能问题。在该配置中，用于头部中的一个的阀具有布置在接口横截面区域外侧或超出接口横截面区域的阀横截面区域(例如，由与吸附床的接口限定的横截面)。
与常规方法相比，本技术通过将阀布置在接口横截面区域外侧(例如，布置在头部横截面区域外侧)而提供到吸附性材料的通路以适应对吸附床单元的维护。在常规配置中，吸附床具有接口横截面区域，其将与吸附床直接流动连通的阀布置成与吸附床直接相邻并且布置在接口横截面区域内。在本技术中，用于头部中的一个的阀布置在吸附床的接口横截面区域外侧并且甚至布置在吸附床单元的头部横截面区域外侧。特别地，用于头部中的一个的阀布置在吸附床单元的头部的外周边的外侧。因此，本技术提供了通过单个头部到达吸附性材料的通路而不必移除与吸附床单元关联的其他设备(例如，不必移除阀、导管或歧管)，这样就减少了维护成本、维护时间和对设备的损坏，将死区容积管理为可接受的水平，并为吸附床提供可接受的流动分配。
在一个或多个实施例中，吸附床单元可以是改型的竖直圆筒形吸附床单元，其配置成使吸附床单元的一个头部的流量阀不布置在吸附床的接口横截面区域内或者甚至是部分地布置在吸附床的接口横截面区域内。例如，用于一个头部的流量阀可以在吸附床单元的头部上布置成与吸附床直接相邻(例如，布置在接口横截面区域内或部分地布置在接口横截面区域内)，而用于第二头部的流量阀配置成布置在外围位置(例如，布置在接口横截面区域外侧)。该配置提供了到吸附床的维护通路。外围的阀安装位置可以与单元的头部一体形成，或者它可以形成在位于单元法兰和单元头部之间的独立板中。尽管单个阀可以布置在不同的位置，但是根据具体应用的要求也可以使用多个阀。而且，阀可以是主动控制阀和/或被动控制阀。被动控制阀可以通过作用在其移动元件(例如，盘元件)上的压差打开，而不需要以其他的方式致动该移动元件。
在某些实施例中，可以提供各种特征以进一步改进吸附床单元。例如，热膨胀环可以布置在吸附床和吸附床单元的头部中的一个(例如，具有布置在接口横截面区域内或部分布置地在接口横截面区域内的阀的头部)之间。热膨胀环可以配置成引导吸附床、对准吸附床单元内的吸附床、调节热膨胀以及在插入吸附床单元期间引导吸附床。此外，吸附床单元也可以包括临时性碎屑箔。碎屑箔可以在维护期间用于收集在吸附性材料(例如，吸附床)的更换期间落入吸附床单元中的任何碎屑，并且可以布置在吸附床和靠近端部中的一个(例如，靠近头部中的一个)的阀之间。例如，如果吸附床是竖直取向配置，则在吸附床移除开始之前，可以将碎屑箔插入到在下方的阀和吸附床之间的偏移端口中。然后，任何碎屑都可以落到碎屑箔上并从吸附床单元中移除。在插入吸附床单元之后，可以移除碎屑箔并且可以堵塞偏移端口以进行操作。
本技术可以用于改进变吸附工艺。例如，用于变吸附工艺的循环可以包括两个或更多个步骤，其中每个步骤都具有一定的时间间隔，这些时间间隔被加在一起以作为循环时间。这些步骤包括在吸附步骤之后使用各种方法再生吸附床，所述各种方法包括变压、变真空、变温、吹扫(经由用于该工艺的任何合适类型的吹扫流体)、以及它们的组合。作为示例，变吸附循环可以包括吸附、减压、吹扫和再加压的步骤。当在高压下执行分离时，在多个步骤中执行减压和再加压(它们可以称为平衡步骤)以减小每个步骤的压力变化并提高效率。在一些变吸附工艺(例如快速循环式变吸附工艺)中，总循环时间的大部分要涉及到吸附床的再生。因此，再生时间用量的任何减少都会导致总循环时间的减少。该减少也可以减小变吸附系统的总体尺寸。
应当领会，本技术也可以包括用于进料流和吹扫流的各种压力。结果，吸附床单元可以在5磅/平方英寸绝对压力(psia)至1,400psia的压力范围内操作。例如，进料压力可以基于优选的吸附进料压力，其可以处于400psia至1,400psia的范围内，或者处于600psia至1,200psia的范围内。而且，吹扫压力可以基于优选的吸附吹扫压力，其可以处于50psia至800psia的范围内，或者处于400psia至600psia的范围内。
本技术可以集成到各种配置中。例如，吸附床单元可以包括结构化或非结构化的吸附床，并且吸附床单元也可以包括附加特征以促进流动矫直和流动分配。而且，本技术可以采用但不限于在低温天然气液体(NGL)回收之前进行脱水并与之集成，其中可以包括移除污染物以达到低温处理进料气体规格。其他的集成可以包括液化天然气(LNG)成套设备或其他这样的成套设备。无论如何，本技术可以用于处理含有过量污染物(例如水和CO2)的进料流。本技术也可以用于移除污染物以达到其他规格，例如用于低温天然气液化回收成套设备的低温天然气液化规格。
在一个或多个实施例中，本技术可以用于任何类型的变吸附工艺。本技术的非限制性变吸附工艺可以包括变压吸附(PSA)、真空变压吸附(VPSA)、变温吸附(TSA)、变分压吸附(PPSA)、快速循环变压吸附(RCPSA)、快速循环变热力吸附(RCTSA)、快速循环变分压吸附(RCPPSA)、以及这些工艺的组合，例如变压/变温吸附。在美国专利申请公报第2008/0282892号、第2008/0282887号、第2008/0282886号、第2008/0282885号、第2008/0282884号和第2014/0013955号中描述了示例性的变动力学吸附工艺，这些文献均通过全文引用而并入本文。
在某些实施例中，吸附床单元可以包括：壳体，所述壳体可以包括头部部分和其他本体部分，其形成了基本上不透气的隔板；布置在壳体内的吸附床以及多个阀(例如，提升阀)，所述多个阀在壳体的内部区域和壳体的内部区域外部的位置之间提供了通过壳体中的开口的流体流动通道。每个提升阀可以包括能够座置在头部内的盘元件或者能够座置在插入头部内的独立阀座内的盘元件。提升阀的配置可以是多种类型的提升阀中的任意不同的阀模式或配置。作为示例，吸附床单元可以包括一个或多个提升阀，每个提升阀与跟不同流相关联的不同导管流动连通。提升阀可以在吸附床和相应的导管、歧管或集管中的一个之间提供流体连通。
如上所述的吸附分离工艺、装置和系统可以用于烃的开发和生产，例如天然气和石油加工。特别地，所提供的工艺、装置和系统可以用于从气体混合物快速、大规模、高效地分离各种目标气体。特别地，所述工艺、装置和系统可以用于通过移除污染物和重质烃(例如，具有至少两个碳原子的烃)来制备进料产品(例如天然气产品)。所提供的工艺、装置和系统可以用于制备用于公用事业(包括分离应用)的气态进料流。分离应用可以包括：露点控制；脱硫和/或解毒；腐蚀防护和/或控制；脱水；热值；调制；和/或纯化。利用一种或多种分离应用的公用事业的示例包括生成燃料气体、密封气体、非饮用水、保护气体、仪表和控制气体、制冷剂、惰性气体；和/或烃回收。
在其他实施例中，本技术可以用于通过变吸附工艺将流中的污染物减少至特定水平。因此，本技术通过将阀布置在吸附床的接口横截面区域外侧来为阀(例如提升阀)提供额外的空间(例如，对于吸附床单元头部中的一个，阀具有布置在吸附床的接口横截面区域外侧的阀横截面区域)。参考下面的图1至8C可以进一步理解本技术。
图1是具有六个常规吸附床单元和互连管道的变吸附系统100的三维图。尽管该配置是常规集装单元(skid)的具体示例，但是该具体配置用于示例性目的，原因是其他的配置可以包括不同数量的吸附床单元。
在该系统中，吸附床单元(例如吸附床单元102)可以配置成用于从进料流(例如，流体、气体或液体)移除污染物的循环式变吸附工艺。例如，吸附床单元102可以包括各种导管(例如，导管104)，以用于管理通过、去往或来自吸附床单元102内的吸附床的流体流动。来自吸附床单元102的这些导管可以联接到歧管(例如，歧管106)以分配去往、来自或者在部件之间的流的流动。吸附床单元内的吸附床可以将一种或多种污染物从进料流分离以形成产品流。应当领会，吸附床单元可以包括其他导管以控制作为该工艺的一部分的其他流体流例如吹扫流、减压流等。此外，吸附床单元也可以包括一个或多个平衡容器例如平衡容器108，其专用于吸附床单元并且可以专用于变吸附工艺中的一个或多个步骤。
作为下面将进一步讨论的示例，吸附床单元102可以包括：壳体，所述壳体可以包括头部部分和其他本体部分，其形成基本上不透气的隔板；布置在壳体内的吸附床和多个阀，所述多个阀在壳体的内部区域和壳体的内部区域外部的位置之间提供通过壳体中的开口的流体流动通道。吸附床可以包括能够从进料流吸附一种或多种组分的固体吸附性材料。这样的固体吸附性材料被选择成能够耐受吸附床单元102内的物理和化学条件，并且可以包括金属、陶瓷或其他材料，这取决于吸附工艺。吸附性材料的其他示例在下面进一步说明。
作为具体示例，图2示出了常规吸附床单元200的局部视图的示意图。吸附床单元200包括具有阀孔或阀口204的平坦头部202。平坦头部202经由在该局部视图中截断的螺栓208连接到法兰式圆筒形单元或本体206。在该图中，阀(未示出)布置在阀口204中。这些阀口位于吸附床的基于直径210和周边212的接口横截面内。
正如该常规吸附床单元200中所示，布置在阀口204中的阀在周边212内(例如，在接口横截面区域内)定位在吸附床正上方。然而，移除平坦头部202以提供到吸附床单元200内的吸附性材料的通路涉及了移除阀、关联的导管和关联的歧管以提供通路。
对于大多数快速循环式变吸附工艺而言，应当最小化死区容积。作为示例，可以考虑用于LNG应用的脱水循环。在这样的工艺中，循环可以包括从进料流吸附污染物的进料步骤和通过使吹扫流通过吸附床而移除污染物的再生步骤，该再生步骤可以处于一个或多个吹扫步骤中。这样的工艺的工艺库存低，并且过量的死区容积可能导致工艺操作不符合规范。该挑战在涉及将变温作为工艺的一部分的工艺中尤为不利，其中加热流体温度会由于过量死区容积中的热损失而降低。
此外，在该工艺的一端，过量死区容积可能会造成更多问题。例如，产品侧或产品端的过量死区容积可能比进料侧或进料端的过量死区容积更加不利。这是由于在吹扫步骤开始之前，产品端的过量死区容积在该过量死区容积内具有较冷的气体。一旦吹扫开始，吹扫流中的热吹扫气体就与过量死区容积中的冷气体混合，这会导致吹扫气体在其通过吸附床时被冷却。不幸的是，较冷的吹扫流不能像较热的吹扫流那样高效地再生吸附床。而且，额外的集管容积可以增加热吹扫气体所接触的表面积和热质量。这会导致从吹扫气体到周围环境(例如吸附床上游的吸附床单元内的区域)的热损失增加，这也降低了吸附床的再生效率。
在图3中描述了在吸附床的相应端部处的过量死区容积的不利影响。图3是在吸附床的相应端部处的过量死区容积的不利影响的差异的曲线图300。曲线图300包括响应曲线306、308和310，它们是相对于沿着长度轴302的吸附床的标准化长度(z/L)的沿着吸附轴304的H2O吸附的以毫摩尔/克(mmol/g)为单位的建模值。在该曲线图300中，通过各种响应曲线306、308和310示出了吹扫气体和过量死区容积的金属表面之间的热传递的影响。响应曲线306是建模响应曲线(例如，实线)，其中死区容积被最小化到1.6L；响应曲线308是建模响应曲线(例如，虚线)，其中死区容积增加到19.2L并且考虑了上述两种影响；并且响应曲线310是建模响应曲线(例如，方块线)，其中死区容积增加但只考虑了上述的第一种影响。如该曲线图300中所示，增加产品侧的死区容积的主要问题是向周围环境的热损失增加，其导致了较低的再生温度。因而，如果需要额外的死区容积，则应当采取措施以减少吹扫气体和与其接触的任何金属之间的热传递。
如上所述，如图2所示的吸附床单元的常规配置可以包括将阀布置在至少部分地布置在接口横截面区域内的阀横截面区域内。例如，吸附床可以安装在竖直圆筒内并在两端带有法兰式平坦头部。提升阀可以用于促进吸附床和外部位置之间的流动，并且可以直接安装在平坦头部的顶部上，这样就将吸附床单元的死区容积最小化。混合区域是吸附床和吸附床单元的相应端部处的阀之间的区域。在正常操作期间，进料流通过上头部上的一个阀引入并且作为经处理的产品通过下头部上的一个阀移除。类似地，在再生步骤期间，吹扫流通过下头部上的一个阀引入并且从上头部上的一个阀移除。取决于具体的工艺，可以将其他的流引入吸附床单元中。此外，可以将一个以上的阀用于单种服务，或者可以将单个阀用于多种服务。
作为示例，对于上述这样的配置，可以仅考虑对该工艺进行四种服务。因此，该配置可以包括顶部平坦头部上的进料入口和吹扫出口以及底部平坦头部上的产品出口和吹扫入口。每种服务可以使用单个阀，但是其他配置可以包括双服务阀。也应当注意，阀可以是主动控制阀和/或被动控制阀。在该配置中，提升阀和吸附床之间的区域是死区容积。这些死区容积是混合区域，来自容器两侧的两种服务的流体流在此混合并且存在到周围金属的热传递。应当领会，为了高效的工艺操作，优选地使混合区域最小化。然而，由于该配置，到吸附性材料(例如吸附床)的通路变得具有挑战性，原因是必须要移除整个阀组件。该移除可能是劳动密集性的并且缩短了设备的生命周期，原因是阀组件的移除可能包括移除各种液压连接(例如，对于每个阀组件，存在三处到七处液压连接)。
本技术提供了实施例以克服对于到吸附床单元内的吸附性材料的通路的限制。例如，图4A和4B是根据本技术的替代实施例的具有关联阀组件的吸附床单元的一部分的图400和420。对于图400和420中的每一个，可以用于类似于图1的多吸附床配置中的吸附床单元的部分包括本体或壳体，其可以包括布置在圆筒形壁内的吸附床402和圆筒形绝缘层404以及上头部406和下头部408。
上头部406和下头部408可以具有不同的配置，使得头部406或408中的一个可以提供到吸附床402的通路。吸附床单元联接到不同的歧管(未示出)以对吸附床提供流体和导出流体。在图400和420中，上头部406不包括任何阀，而下头部408相应地包含阀组件例如阀组件412和414(例如，提升阀)。对于吸附床的上部区域，流体经由阀结构(例如阀416和418)流入或流出头部406和吸附床402之间的上部开放流动路径容积，所述阀结构经由不同的导管配置连接。这些导管配置在下面在相应的图400和420中进一步讨论。相应的头部406或408和吸附床402之间的上部或下部开放流动路径容积也可以包含流动分配器(未示出)，所述流动分配器以均匀的方式将流体直接引入吸附床402中。流动分配器可以包括孔板、圆形板或在吸附床上分配流动的其他装置。
如果阀组件412、414、416至418是提升阀，则每个阀组件可以包括连接到阀杆元件的盘元件，所述阀杆元件可以定位在阀套或阀导承内。阀杆元件可以连接到致动装置，例如配置成使相应的阀向相应的阀杆施加线性运动的致动装置(未示出)。应当领会，致动装置可以针对工艺中的不同步骤独立地操作以启动单个阀，或者可以使用单个致动装置来控制两个或更多个阀。此外，尽管开口的尺寸可以基本相似，但是假定通过入口的气体体积可能倾向于低于通过出口的产品体积，则用于入口歧管的开口和入口阀可以具有小于出口歧管的直径。
在该配置中，接口是与头部406和408相邻的吸附床402的端部。接口横截面区域是在靠近头部406和408的相应端部处的吸附床402的横截面区域。对于该配置，阀412和414布置在接口横截面区域内或部分地布置在接口横截面区域内，而阀416和418布置在由吸附床402限定的接口横截面区域外侧或超出接口横截面区域。另外，阀的阀横截面区域由与吸附床402相邻的阀的形状(或对于接口横截面区域外侧的阀，由最靠近床的面)限定，而接口横截面区域由吸附床402的形状限定。在该配置中，阀412和414与导管直接流动连通，并且配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从壳体外部的位置通过导管延伸到吸附床402，其中阀412和414具有至少部分地布置在吸附床402的接口横截面区域内的阀横截面区域，而阀416和418具有在吸附床402的接口横截面区域外侧的阀横截面区域。
如上所述，阀416和418在头部的周边的外侧(例如，具有在吸附床402的接口横截面区域外侧的阀横截面区域)。在图400和420中，给出了不同的配置，其具有不同的流动路径以供流体传送到吸附床402和从吸附床402导出。对于图400，阀416和418通过在阀之间共用的导管417提供流动路径。来自这些阀416和418的流体的流动必须转向以遵循通过吸附床的主要流动路径。在该配置中，导管417是连接到头部406(例如，顶部平坦头部)的90度弯头。在该弯头的另一端部处，安装了两个阀416和418。导管可以是带法兰的，使得移除这些法兰可以容易地提供到头部406和吸附床402的通路，而不必移除阀416和418的阀组件。在该配置中，导管417交替地暴露于通过导管417流动到相应的阀416和418的暖气流和冷气流。结果，在该配置中可能存在大的热传递损失。
对于图420，阀416和418分别通过导管422和424提供流动路径。这些导管422和424从与主要流动路径基本相反的方向提供弯曲流动路径。因而，来自这些阀416和418的流体的流动必须转向以遵循通过吸附床402的主要流动路径。这些导管422和424弯曲成连接到头部406的U形弯头，其中每个阀416和418安装在这些U形弯头的另一端部上。U形弯头可以是带法兰的，使得移除这些法兰可以容易地提供到头部406和吸附床402的通路，而不必移除相应的阀416和418。在该配置中，每个导管422和424在在整个工艺中保持几乎相同的温度，原因是它暴露于几乎恒定温度的移动流体。例如，当产品阀打开时，冷气体流动通过连接到该阀的导管，而另一个导管几乎用作单流管(dead-leg)。类似地，当吹扫入口阀打开时，热吹扫气体流动通过连接到该阀的导管，而另一个导管几乎用作单流管。因而，来自吹扫气流的热损失最小。混合区域也主要受限于头部406和吸附床402之间的狭窄区域。尽管在导管422和424中可能发生少量混合，但预计不会对性能造成不利影响。
作为进一步的改进，可以实现对吸附床单元的配置的附加改良。例如，吸附床单元可以在竖直轴向平面中取向，所述竖直轴向平面具有集成到壳体的固定导管，其进一步附接到一系列快速作用工艺流阀。阀可以联接到一系列工艺供应和产品集管。吸附床单元的最上限制可以终止于用于接近吸附床单元的内部构件(例如吸附床)的螺栓固定盖(例如，头部)，并且机械地支撑整体形状的流动叶片或流动转向器。此外，流动叶片可以与工艺流阀对准，这提供了分配去往和来自吸附床的气流路径的机构。另外，吸附床单元的最下限制可以终止于歧管，所述歧管进一步附接一系列快速作用的工艺流阀。最下歧管支撑类似的流动叶片，其具有与上部区域类似的用途。
吸附床单元包括吸附床，其可以具有圆形、方形、矩形或其他多边形的横截面几何形状，其与吸附床单元的竖直轴线轴向对准。吸附床可以容纳在整体金属壳或内衬中，其具有位于两个吸附床终端上的整体流动分配硬件。吸附床可以通过多个紧固件同心地支撑并与上部吸附床终端对准。支撑接触表面可以与同心密封环成一体，这防止旁路气流行进而不通过吸附床。下部吸附床可以终止于与一系列等间隔的金属尖头同心对准，所述金属尖头允许热床在任一轴向方向上膨胀(例如，用热膨胀环)。尖头可以限制吸附床在水平面中的移动。
此外，本技术可以提供灵活的工艺阀配置。例如，本技术可以包括替代的工艺阀位置，例如最上限阀可以围绕壳体周边以任何所需的角度布置。而且，当对置的阀不合需要时，阀的布置可以用于改进与吸附床的工艺流流动对准。本技术进一步提供了替代的工艺阀布置，例如最下限阀，其能够以任何期望的竖直取向布置以适合期望的死区容积标准。
而且，本技术可以用于改进检修和吸附床单元的可维护性。例如，本技术提供了一种接近、移除和更换内部吸附床的简单方法，而无需复杂或机械化的装置。一旦主要支撑件未用螺栓固定，就在竖直平面中从吸附床单元提升吸附床组件。更换吸附床组件则以相反的顺序安装。另外，位于吸附床正下方的工艺流阀可以用捕获机构(例如，临时碎片箔)保护。碎屑箔可以通过可移除的盖板安装。在单元检修和维护操作期间，保护性碎屑箔可以减少或避免外来碎屑堵塞阀。此外，作为另一个益处，在不需要拆卸工艺导管以及关联的工艺阀及其液压公用事业服务系统的情况下移除和更换吸附床组件减少了维护操作和成本。
此外，与常规吸附床单元相比，本技术提供了各种成本节约措施。例如，提供类似服务的具有容器封闭件(其终止于定制的凸面焊接颈部法兰)的常规吸附床单元将所有工艺阀定位在平坦的封闭盖上，所述封闭盖非常厚以克服由阀施加的动态载荷以及每个工艺阀之间的最小的材料系带引起的竖直偏移。相比之下，本技术可以使用在所提出的配置中具有最小材料厚度的简单封闭盖板。因此，为了维护常规吸附床单元的吸附床，必须移除封闭盖和所有工艺阀以及相连的导管以获得内部通路。然而，当获得到吸附床单元的内部构件的通路时，本技术不需要强制拆卸工艺流阀或相连的导管。此外，常规的吸附床单元也可能需要去往和来自集成到大直径工艺管道中的所有工艺流阀的复杂导管布置。相比之下，本技术采用简单紧凑的管布置。前文提到的材料体积和紧凑的管运行配置的总体节省是与初始制造、未来维护和长程单元操作成本相关联的直接费用节省。
本技术提供实施例以克服对于到吸附床单元内的吸附性材料的通路的限制。例如，图5A、5B、5C和5D是根据本技术的替代实施例的具有关联阀组件的吸附床单元的一部分的附加图500、520、540和560。对于图500、520、540和560中的每一个，能够以类似于图1的配置使用的吸附床单元的部分包括本体或壳体，其可以包括圆筒形壁502和圆筒形绝缘层504以及上头部506和下头部508。吸收床510布置在上头部506和下头部508以及绝缘层504之间，由此得到上部开放区域和下部开放区域，其基本上包括开放流动路径容积。吸附床单元中的开放流动路径容积包含必须针对各种步骤进行管理的气体。例如，壳体可以配置成在内部区域内保持0.1巴至100巴之间的压力。
上头部506和下头部508可以具有不同的配置，使得头部506或508中的一个可以提供到吸附床510的通路。吸附床单元联接到不同的歧管(未示出)以对吸附床提供流体和导出流体。在图500、520、540和560中，上头部506不包括任何阀，而下头部508包含开口，阀结构例如阀组件512和514(例如，提升阀)可以分别插入其中。对于吸附床的上部区域，流体经由阀结构(例如阀516和518)流入或流出头部506和吸附床510之间的上部开放流动路径容积，所述阀结构经由不同的导管配置连接。下面在相应的图500、520、540和560中进一步讨论这些导管配置。相应的头部506或508和吸附床510之间的上部或下部开放流动路径容积也可以包含流动分配器(未示出)，所述流动分配器以均匀的方式将流体直接引入吸附床510中。流动分配器可以包括孔板、圆形板或在吸附床上分配流动的其他装置。
如果阀组件512、514、516至518是提升阀，则每个阀组件可以包括连接到阀杆元件的盘元件，所述阀杆元件可以定位在阀套或阀导承内。阀杆元件可以连接到致动装置，例如配置成使相应的阀向相应的阀杆施加线性运动的致动装置(未示出)。应当领会，致动装置可以针对工艺中的不同步骤独立地操作以启动单个阀，或者可以使用单个致动装置来控制两个或更多个阀。此外，尽管开口的尺寸可以基本相似，但是假定通过入口的气体体积可能倾向于低于通过出口的产品体积，则用于入口歧管的开口和入口阀可以具有小于出口歧管的直径。
在该配置中，接口是与头部506和508相邻的吸附床510的端部。接口横截面区域是在靠近头部506和508的相应端部处的吸附床510的横截面区域。对于该配置，阀512和514布置在接口横截面区域内或部分地布置在接口横截面区域内，而阀516和518布置在由吸附床510限定的接口横截面区域外侧或超出接口横截面区域。另外，阀的阀横截面区域由与吸附床510相邻的阀的形状(或对于接口横截面区域外侧的阀，由最靠近床的面)限定，而接口横截面区域由吸附床510的形状限定。作为图500中的示例，如果阀512是具有圆形盘元件的提升阀并且吸附床510具有圆棱柱的形状，则阀512的阀横截面区域是具有直径505的圆的区域，而吸附床510的接口横截面区域是具有直径507的圆的区域。类似地，如果阀516是具有圆形盘元件的提升阀，则阀516的阀横截面区域是具有直径509的圆的区域。在该配置中，阀512和514与导管直接流动连通，并且配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从壳体外部的位置通过导管延伸到吸附床510，其中阀512具有布置在吸附床510的接口横截面区域内的阀横截面区域，并且阀516具有在吸附床510的接口横截面区域外侧的阀横截面区域。在其他配置中，阀512和514可以具有至少部分地布置在吸附床510的接口横截面区域内的阀横截面区域。
如上所述，阀516和518在头部的周边外侧(例如，具有在吸附床510的接口横截面区域外侧的阀横截面区域)。在图500、520、540和560中，给出了不同的配置，其具有不同的流动路径以便流体传送到吸附床510和从吸附床510导出。对于图500，阀516和518分别通过导管517和519提供流动路径。来自这些阀516和518的流体的流动必须转向以遵循通过吸附床的主要流动路径。对于图520，阀516和518分别通过导管522和524提供流动路径。这些导管522和524从与主要流动路径基本相反的方向提供弯曲流动路径。因而，来自这些阀516和518的流体的流动必须转向以遵循通过吸附床510的主要流动路径。对于图540，阀516和518分别通过导管542和544提供流动路径。这些导管542和544从与主要流动路径基本并行的方向提供成角度的流动路径。因而，来自这些阀516和518的流体的流动可以经历较小的压降，同时必须转向以遵循通过吸附床510的主要流动路径。对于图560，阀516和518分别通过导管562和564提供流动路径。这些导管562和564从与主要流动路径基本并行的方向提供弯曲流动路径。因而，来自这些阀516和518的流体的流动可以经历较小的压降，同时必须转向以遵循通过吸附床510的主要流动路径。
为了进一步改进配置，可以在来自阀的通道中使用结构元件以在用于阀的导管或壳体通道中提供近塞流动。这可以在一定程度上减少混合量和相应的热损失。这些配置可以包括成角度的流动路径，以在流进出吸附床时管理温度前沿。因此，用于流入吸附床中的导管或壳体内的角度和弯曲段应当保持通过弯曲段的近塞流态。因此，形成弯曲段的导管或壳体可以包括各种结构元件以提供塞流动平衡压降和参与热交换的热质量。例如，图6A、6B、6C、6D和6E提供了根据本技术的实施例的具有各种结构元件的导管。在图6A中，示出了导管的图600，其具有结构元件602、603、604和605，所述结构元件用于将内部通道分成九个独立通道。此外，图6B提供了将通道分成两个独立通道的单个结构元件612的横截面图610。图6C提供了将通道分成三个独立通道的两个基本平行的结构元件622和624的横截面图620。图6D提供了将通道分成四个独立通道的两个交叉结构元件632和634(例如，彼此垂直)的横截面图630。图6E提供了配置成将通道分成六个独立通道的两个平行结构元件642和644以及相对于这两个平行结构元件的一个垂直结构元件646的横截面图640。
另外，对于吸附床外部的区域，可以使用附加的填充元件或结构来减少死区容积。填充结构可以包括填充材料、通道和/或挡板，其可以用于管理流动路径并减少吸附床单元内的死区容积。而且，对于不同的流，诸如阀组件这样的阀可以配置成经由共同的致动机构(例如提升板或其他致动机构)进行操作(例如，打开或关闭)。
有益地，本技术提供各种改进。一种改进是能够在不移除阀、导管或歧管的情况下改变吸附床的能力。另一种改进是将死区容积限制在可接受的水平以实现可接受的循环性能。再一种改进是保持对吸附床入口的可接受的流动分配。
有益地，本技术提供各种改进。一种改进是能够在不移除阀、导管或歧管的情况下改变吸附床的能力。另一种改进是将死区容积限制在可接受的水平以实现可接受的循环性能。再一种改进是保持对吸附床入口的可接受的流动分配。
图7A、7B、7C、7D、7E和7F是根据本技术的实施例的示例性吸附床单元的图700、720、740、750、760和770。这些图700、700、720、740、750、760和770是图5D的图560中的吸附床单元的实施例。在图700、700、720、740、750、760和770中，壳体702示出为具有阀开口704、706、708和710、上头部712以及下头部714。阀开口708和710提供沿着相应的弯曲本体部分709和711进入壳体的内部区域的流动路径，其可以是独立导管或壳体的制造部分。此外，结构元件716可以用于在操作期间支撑和稳定吸附床单元。在该配置中，阀开口704和706布置在头部714的周边内，使得安装到阀开口704和706中的任何阀具有至少部分地布置在接口横截面区域内的阀横截面区域。阀开口708和710布置在头部712的周边的外侧，使得安装到阀开口708和710中的任何阀具有布置在接口横截面区域外侧的阀横截面区域。
图7A是作为吸附床单元的正视图的图700。图7B是作为图7A的吸附床单元的剖视图的图720。在该图720中，吸附床722布置在壳体702内。此外，头部712包括封闭盖724、进料流动转向器726和垫圈728，而下头部714包括产品流动转向器730。封闭盖724减少死区容积并阻止朝着头部712的流体流动，进料流动转向器726将来自弯曲本体部分709或711的进料流朝着吸附床722引导，并且垫圈728提供密封机构以阻止从头部712向外部位置的流动。产品进料转向器730将产品流从吸附床722朝着阀开口704或706中的一个引导。图7C是作为图7A的吸附床单元的分解图的图740。在该图740中，示出了吸附床722和头部712的不同部件。例如，内部密封件742布置在吸附床722和壳体702之间以阻止任何流体的流动并减少或防止流体绕过吸附床722。此外，床紧固元件744用于将吸附床722固定到壳体702，而紧固元件746用于将头部712固定到壳体702。图7D是作为图7A的吸附床单元的上部分的剖视图的图750，而图7E是作为图7A的吸附床单元的上部分的替代剖视图的图760。图7F是作为图7A的吸附床单元的下部分的剖视图的图770。在该图770中，热膨胀环772布置在吸附床722和头部714之间。热膨胀环772可以是张紧环，其将吸附床固定成同心配置并且设置用于吸附床722的轴向热膨胀。
图700、700、720、740、750、760和770中的吸附床单元可以用于执行变吸附工艺。例如，变吸附工艺包括形成循环的进料步骤和再生步骤(例如，吹扫步骤)。进料步骤可以包括使进料流经过阀开口708到达吸附床722并使产品流经过阀开口704。一旦进料流中断，再生步骤可以包括执行一个或多个减压步骤和/或一个或多个吹扫步骤。减压步骤可以包括使流体从吸附床722流动通过阀开口710，而吹扫步骤可以包括使吹扫流经过阀开口706到达吸附床722并使吹扫排出流从吸附床722通过阀开口710。应当领会，附加工艺流可以在其他实施例中被包括在具有附加阀的工艺中。
应当领会，用于头部中的任一个的叶片或转向器可以配置成管理通过吸附床或来自吸附床的流体的流动。例如，如图7B所示，进料流动转向器726(例如，头部712中的叶片)的角度可以约等于进入内部区域的相应弯曲本体部分709或711(例如，阀导管)的角度，并且该角度可以选择成使得导管和/或叶片的最内表面线性地突出到吸附床722的相对边缘，由此在整个吸附床722上分配流动。在不同的配置中，阀导管(例如弯曲本体部分709或711)可以基本垂直于主要吸附床流动方向，并且可以彼此直接相对(例如，如图5A所示)。在这样的配置中，转向器或叶片可以使流体流动路径偏移以防止来自一个导管的流动直接朝向相对的导管引导并进入相对的导管。当流体在导管和吸附床之间通过时，弯曲的导管或本体部分减小任何压降。而且，除了减小压降之外，阀导管或本体部分的弯曲形状可以用于保持阀的竖直取向，这可以减少由于阀部件的不均匀加重而在阀(例如，阀杆)上产生的磨损。
图8A、8B和8C是根据本技术的实施例的吸附床单元的一部分和关联热膨胀环的图800、820和840。图800、820和840包括不同配置的吸附床802和热膨胀环804的一部分。
例如，图8A是吸附床802的一部分和热膨胀环804的一部分的示例性实施例的部分剖视图800。处于卸载或膨胀状态的热膨胀环804布置在吸附床802和吸附床单元的壳体或头部(未示出)之间。图8B是吸附床单元的壳体824内的吸附床802和热膨胀环804的一部分的分解图的部分剖视图820。在该图820中，热膨胀环804布置在吸附床802和头部822之间，但保持在卸载或膨胀状态。图8C是吸附床单元的壳体824内的吸附床802和热膨胀环804的一部分的部分剖视图840。在该图840中，热膨胀环804布置在吸附床802和头部822之间并且处于压缩状态。热膨胀环804包括各种凹口842以在加载或压缩状态中提供挠性。
应当领会，热膨胀环804具有不同的改进以提供对吸附床802的支撑。例如，热膨胀环的曲率配置成从卸载状态弯曲到压缩状态。此外，热膨胀环804中的凹口842可以用于减轻热膨胀环804的疲劳。此外，热膨胀环804可以由诸如钢这样的材料制造。
图9A、9B、9C、9D和9E是根据本技术的实施例的捕获机构的图900、920、940、960和970。这些捕获机构可以用于偏移在维护操作(例如更换吸附床)期间可能落入吸附床的内部区域的外来碎屑。捕获机构可以提供通到吸附床单元的下头部或下部分内的材料的路径和通路。
例如，图9A和9B是用于吸附床单元的捕获机构的示例性实施例。在这些图900和920中，示出了吸附床单元的一部分，其可以是图4A至4B、5A至5D或7A至7F中的吸附床单元中的一个。在这些图900和920中，吸附床单元的一部分包括布置在本体部分或壳体904内的吸附床902和头部906。诸如阀908和910这样的阀附接到头部906以提供吸附床902和外部位置之间的流体流动路径。
为了在维护期间偏移吸附床单元内的碎屑，可以利用捕获机构在变吸附操作期间提供密封并从吸附床单元的内部区域移除碎屑。捕获机构可以包括维护端口912和碎屑箔914。在图900中，碎屑箔914通过维护端口912布置并且成角度以使进入内部区域并朝着头部906移动的任何碎屑由捕获块914阻挡在阀908和910之外。在图920中，移除了碎屑箔914，并且将塞子(未示出)安装到维护端口912中。塞子可以用于密封端口并阻碍在维护端口912和吸附床单元的内部区域外部的位置之间的任何流体流动。
作为另一个示例，图9C、9D和9E是用于吸附床单元的另一个捕获机构的示例性实施例。在这些图940、960和970中，示出了吸附床单元的一部分，除了下部阀的布置和关联的头部之外，其可以类似于图4A至4B、5A至5D或7A至7F中的吸附床单元。在这些图940、960和970中，吸附床单元的一部分包括布置在本体部分或壳体944内的吸附床942和头部946。诸如提升阀948和950这样的阀附接到头部946以提供吸附床942和外部位置之间的流体流动路径。
与上述配置类似地，捕获机构可以用于在变吸附操作期间提供密封并从吸附床单元的内部区域移除碎屑。捕获机构可以包括维护端口952和碎屑箔954以及捕获塞956。在图9C的图940中，碎屑箔954通过维护端口952布置并且成角度以使进入内部区域并朝着头部956移动的任何碎屑由碎屑箔954阻挡在阀948和950之外。此外，捕获塞956从维护端口952脱离以便为维护端口952内的碎屑箔954和吸附床单元的该部分提供通路。在图9D的图960中，移除碎屑箔954并且用紧固件将捕获塞956安装到维护端口952中。捕获塞956可以用于密封端口并阻止维护端口952和吸附床单元的内部区域外部的位置之间的任何流体流动。在图9E的图970中，示出了图9C和9D中的吸附床单元的一部分的俯视图。
图10A、10B和10C是根据本技术的实施例的具有四个吸附床单元和互连管道的变吸附系统的三维图1000、1020和1040。尽管该配置是集装单元的具体示例，但是该具体配置用于示例性目的，原因是其他配置可以包括不同数量的吸附床单元。
在该系统中，吸附床单元(例如吸附床单元1002)可以配置成用于从进料流(例如，流体、气体或液体)移除污染物的循环式变吸附工艺。例如，吸附床单元1002可以包括各种导管(例如，导管1004)，以用于管理通过、来自或去往吸附床单元1002内的吸附床的流体流动。来自吸附床单元1002的这些导管可以联接到歧管(例如，歧管1006)以分配去往、来自或在部件之间的流的流动。吸附床单元内的吸附床可以将一种或多种污染物从进料流分离以形成产品流。应当领会，吸附床单元可以包括其他导管以控制作为该工艺的一部分的其他流体流例如吹扫流、减压流等。
变吸附系统的该配置为工艺的操作提供各种改进。例如，该系统包括用于头部中的一个(例如上头部或第一头部1008)的阀，其布置在外侧位置(例如，布置在头部1008的周边和吸附床(未示出)的接口横截面区域外侧)。用于下头部或第二头部(例如头部1010)的其他阀至少部分地布置在第二头部的周边或吸附床的接口横截面区域内。以该方式，可以在不必移除任何阀、导管和/或歧管的情况下接近吸附床单元内的吸附床。
图11A、11B、11C、11D、11E和11F是根据本技术的实施例的具有替代阀组件和歧管的吸附床单元的一些部分的图1100、1110、1120、1130、1140和1150。替代的阀配置可以用于管理集装单元上的设备的分布。
例如，图11A和11B是吸附床单元的一部分的第一替代实施例的示例性实施例。在这些图1100和1110中，示出了吸附床单元的一部分，其可以是图4A至4B、5A至5D或7A至7F中的吸附床单元中的一个。在这些图1100和1110中，吸附床单元的一部分包括用于容纳布置在本体部分或壳体1104内的吸附床(未示出)的内部区域1102和头部1106。诸如提升阀1107和1108这样的阀附接到头部1106以提供吸附床和外部位置之间的流体流动路径。该配置的阀定位成处于相同操作平面上的非相对阀。图1100是吸附床单元的一部分的俯视图，而图11B的图1110是吸附床单元的一部分的侧视图。在该图1110中，捕获机构1112布置在头部1106的下部分上，其可以如上面参考图9A至9E所述进行操作。
作为另一个示例，图11C和11D是吸附床单元的一部分的第二替代实施例的示例性实施例。在这些图1120和1130中，示出了吸附床单元的一部分，其可以是图4A至4B、5A至5D、7A至7F或8C至8E中的吸附床单元中的一个。在这些图1120和1130中，吸附床单元的一部分包括布置在本体部分或壳体1124内的吸附床1122和头部1126。诸如提升阀1127和1128这样的阀附接到头部1126以提供吸附床和外部位置之间的流体流动路径。该配置的阀可以定位成处于相反方向上的替代阀布置。图1120是吸附床单元的一部分的俯视图，而图1130是吸附床单元的一部分的侧视图。在该图1130中，捕获机构1132布置在头部1126的下部分上，其可以如上面参考图9C至9E所述进行操作。
作为另一个示例，图11E和11F是吸附床单元的一部分的第三替代实施例的示例性实施例。在这些图1140和1150中，示出了吸附床单元的一部分，其可以是图4A至4B、5A至5D、7A至7F中的吸附床单元中的一个。在这些图1140和1150中，吸附床单元的一部分包括布置在本体部分或壳体1144内的吸附床1142和头部1146。诸如提升阀1147和1148这样的阀附接到头部1146以提供吸附床和外部位置之间的流体流动路径。该配置的阀可以定位成处于相同操作平面中的替代布置。图1140是吸附床单元的一部分的俯视图，而图1150是吸附床单元的一部分的侧视图。
在又一种配置中，图12是根据本技术的实施例的布置在消音系统中的吸附床单元1202的三维图1200。在该配置中，吸附床单元1202包括各种提升阀，例如阀1204、1205、1206和1207。用于快速变吸附工艺的这些提升阀的操作可能产生大量的声学噪声。因此，可以利用消音系统来抑制从吸附床单元1202产生的声音。消音系统可以包括围绕吸附床单元1202布置的各种吸音板1210、1212、1214、1216、1218和1220。这些吸音板1210、1212、1214、1216、1218和1220可以配置成在消音系统内反射声波，或者可以配置成吸收由吸附床单元产生的声波的一部分。
应当领会，消音系统还可以包括各种改进。例如，可以通过在第一消音层(例如，吸音板1210、1212、1214、1216、1218和1220)周围形成第二消音层而提供附加的板以围绕吸音板1210、1212、1214、1216、1218和1220。此外，作为另一个示例，一个或多个封闭件可以围绕阀1204、1205、1206和1207定位。
应当领会，本技术可以用于改进变吸附工艺。作为示例，一种用于从进料流移除污染物的方法可以包括执行一个或多个吸附步骤和一个或多个吹扫步骤。在吸附床单元中执行一个或多个吸附步骤时，每个吸附步骤可以包括：(i)打开多个进料提升阀以将气态进料流从进料入口导管传送到布置在吸附床单元的壳体的内部区域中的吸附床，(ii)将气态进料流暴露于吸附床以从气态进料流分离一种或多种污染物以形成产品流，以及(iii)打开一个或多个产品提升阀以将产品流从壳体中的内部区域导出到产品导管。多个进料提升阀中的每一个可以与进料入口导管直接流动连通，并且可以配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从壳体外部的位置通过进料入口导管延伸到吸附床。此外，用于吸附床的一个端部的多个提升阀中的至少一个具有布置在吸附床的接口横截面区域外侧的阀横截面区域。在另一端部或第二端部处，用于吸附床的另一端部的多个提升阀中的至少一个具有至少部分地布置在吸附床的接口横截面区域内的阀横截面区域。另外，在执行一个或多个吹扫步骤时，一个或多个吹扫步骤中的每一个可以包括将吹扫流传送到吸附床单元中以将吹扫输出流中的一种或多种污染物的至少一部分导出。然后，吸附和吹扫步骤可以重复至少一个额外的循环，其中循环持续时间是大于1秒且小于600秒的时段。
此外，该工艺可以包括其他改进。例如，该工艺可以包括：移动共同的致动机构以打开多个阀；使气态进料流通过围绕邻近吸附床布置的填充材料的流动路径；经由布置在吸附床和多个进料提升阀之间的流动分配器将气态进料流分配到吸附床；和/或用进料致动机构线性地移动至少一个进料阀杆以在联接到至少一个进料阀杆的进料盘元件和固定到吸附床单元的壳体的进料座之间提供进料开口。另外，该工艺可以包括的循环持续时间是大于1秒且小于90秒的时段，以从气态进料流分离一种或多种污染物以形成产品流；提供气态进料流，其是含烃流，具有基于进料流的总体积的大于1％(体积)的烃；和/或将吸附步骤期间的进料压力保持在400磅/平方英寸绝对压力(psia)至1,400psia之间的范围内。
为了制造系统和/或吸附床单元，可以使用各种制造技术。作为示例，制造循环式变吸附床单元的方法可以包括：形成具有内部区域的壳体，其中壳体包括本体部分、第一头部和第二头部；将吸附床布置在壳体的内部区域内；将多个第一阀固定到第一头部中；在靠近第二头部的端部处将多个第二阀固定到壳体，其中第二头部不具有任何阀；其中多个第一阀和第二阀中的每一个配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从壳体外部的位置延伸到吸附床，其中多个第一阀中的至少一个具有至少部分地布置在吸附床的接口横截面区域内的阀横截面区域，并且其中多个第二阀中的每一个具有布置在吸附床的接口横截面区域和/或第二头部的横截面区域外侧的阀横截面区域。
在一个或多个实施例中，材料可以包括被支撑在非吸附性支撑件上的吸附性材料。吸附性材料的非限制性示例可以包括氧化铝、微孔沸石、碳、阳离子沸石、高硅沸石、高硅质有序中孔材料、溶胶凝胶材料、铝磷合氧(ALPO)材料(主要含铝磷和氧的微孔和中孔材料)、硅铝磷合氧(SAPO)材料(主要含硅铝磷和氧的微孔和中孔材料)、金属有机骨架(MOF)材料(由金属有机骨架组成的微孔和中孔材料)以及沸石咪唑酯骨架(ZIF)材料(由沸石咪唑酯骨架组成的微孔和中孔材料)。其他材料包括用官能团官能化的微孔和中孔吸附剂。可以用于CO2移除的官能团的示例可以包括伯、仲、叔和其他的非原生质碱性基团，例如脒、胍和双胍。
在一个或多个实施例中，吸附床单元可以用于从进料流分离污染物。该方法可以包括：使进料压力下的气态进料流通过具有吸附接触器的吸附床单元以从气态进料流分离一种或多种污染物以形成产品流；中断气态进料流的流动；执行减压步骤，其中减压步骤减小吸附床单元内的压力；执行吹扫步骤，其中吹扫步骤减小吸附床单元内的压力；执行再加压步骤，其中再加压步骤增加吸附床单元内的压力；以及在至少一个额外的循环中重复步骤a)至e)。
此外，在一个或多个实施例中，吸附床单元可以包括吸附床，其可以用于从气态混合物分离目标气体。吸附剂通常由被支撑在非吸附性支撑件或接触器上的吸附性材料组成。这样的接触器包含基本平行的流动通道，其中接触器的排除了流动通道的开孔容积的20％(容积)、优选为15％(容积)或以下处于大于约20埃的孔中。如果在进料流进入接触器的点或部位以及产品流离开接触器的点或部位之间施加稳态压力差，则流动通道被认为是接触器的气体在其中流动的部分。在接触器中，吸附剂被包含到流动通道的壁中。
在又一个实施例中，描述了用于从气态进料流移除污染物的循环式变吸附床单元。吸附床单元包括：形成内部区域的壳体；布置在内部区域内的吸附床；以及固定到壳体的多个阀，其中多个阀中的每一个配置成控制沿着流动路径的流体流动，所述流动路径从壳体外部的位置通过导管延伸到吸附床，其中头部中的一个不具有布置在头部的周边内或头部的横截面内的任何阀。
此外，吸附床单元可以包括主动控制提升阀和被动控制阀。可以称为主动控制提升阀组件的主动控制提升阀均可以包括阀杆元件，所述阀杆元件固定到能够座置在头部内的盘元件或能够座置在插入头部内的独立阀座内的盘元件。阀杆元件可以连接到致动机构例如电动液压或电动气动致动机构，其配置成使相应的阀向相应的阀杆元件施加线性运动。应当领会，致动机构可以针对工艺中的不同步骤独立地操作以启动单个阀，或者可以利用单个致动机构来控制两个或更多个阀。作为示例，打开主动控制提升阀可以包括用致动机构线性地移动至少一个阀杆以在联接到至少一个阀杆的盘元件和固定到吸附床单元的壳体的阀座之间提供开口。作为另一个示例，打开主动控制提升阀可以包括用致动机构线性地移动固定到阀杆的提升板以提供开口，其中每个阀杆固定到盘元件并且每个开口在盘元件和固定到吸附床单元的壳体的关联阀座之间形成间隙或流动路径。
被动控制阀可以包括被动控制提升阀、被动控制止回阀、被动控制簧片阀、以及其他合适的被动控制阀。例如，可以称为被动控制提升阀组件的被动控制提升阀均可以包括阀杆元件，所述阀杆元件固定到能够座置在头部内的盘元件或能够座置在插入头部内的独立阀座内的盘元件。阀杆元件可以连接到偏压机构，例如弹簧或其他偏压机构，其配置成使相应的阀向相应的阀杆元件施加线性运动。应当领会，偏压机构可以针对工艺中的不同步骤独立地操作，并且可以基于压差启动以启动单个阀或者两个或更多个阀。被动控制提升阀的一种配置可以包括弹簧加载的被动控制提升阀。在该弹簧加载配置中，盘元件可以是具有中空阀杆元件的整体部件，其具有至少部分地布置在中空阀杆元件内的弹簧。作为示例，打开被动控制提升阀可以包括用产品偏压机构线性地移动至少一个产品阀杆以在联接到至少一个产品阀杆的产品盘元件和固定到吸附床单元的壳体的产品座之间提供产品开口。产品偏压机构可以配置成基于内部区域和产品导管之间的压差超过特定阈值而线性地移动。在其他配置中，对于同相操作的各种阀，基于压差的线性运动可以不同。例如，同相操作的被动控制阀可以包括小于25％、小于20％或小于10％的范围或差分窗口(例如，差分窗口可以被计算为最高压差减去最低压差并将该差值除以最高压差)。作为另一个示例，被动控制阀也可以配置为簧片阀，其包括在一个端部上锚固并弯曲以打开被动控制流动区域的金属或复合材料的挠性条。被动控制簧片阀可以用于在给定的占据面积中以给定的压差提供更多的流动。
在一个或多个实施例中，本技术中的快速循环式变吸附工艺是快速循环变温吸附(RCTSA)和变压吸附(PSA)。对于RCTSA而言，总循环时间通常小于600秒，优选地小于200秒，更优选地小于100秒，更加优选地小于60秒。
鉴于许多可行的实施例都能应用所公开的本发明的原理，因此应当认识到，示例性实施例仅仅是本发明的优选示例，并且不应当被视为限制了本发明的范围。

Claims (22)

1.一种用于从气态进料流移除污染物的循环式变吸附床单元，所述循环式变吸附床单元包括：
形成内部区域的壳体，所述壳体包括固定在第一头部和第二头部之间的本体部分；
布置在所述内部区域内的吸附床；
固定到所述壳体的多个第一阀，其中所述多个第一阀中的每一个配置成控制沿着流动路径的流体流动，该流动路径从所述壳体外部的位置通过导管延伸到所述吸附床，其中所述多个第一阀中的每一个具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的阀横截面区域。
2.根据权利要求1所述的循环式变吸附床单元，其还包括固定到所述第二头部的多个第二阀，其中所述多个第二阀中的每一个配置成控制沿着流动路径的流体流动，该流动路径从所述壳体外部的位置通过导管延伸到所述吸附床，其中所述多个第二阀中的每一个具有至少部分地布置在所述吸附床的接口横截面区域内的阀横截面区域。
3.根据权利要求2所述的循环式变吸附床单元，其还包括捕获机构，所述捕获机构包括维护端口，所述维护端口配置成将碎屑箔传送到所述循环式变吸附床单元的内部区域中，其中所述捕获机构配置成使碎屑从所述多个第二阀中的一个偏移。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的循环式变吸附床单元，其中所述循环式变吸附床单元还包括布置在所述吸附床和所述多个第一阀之间的流动分配器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的循环式变吸附床单元，其中所述壳体配置成将压力保持在5磅/平方英寸绝对压力(psia)至1,400psia。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的循环式变吸附床单元，其中所述多个第一阀均为主动控制阀。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的循环式变吸附床单元，其中所述多个第一阀均与沿着使管道分岔的取向布置的多个歧管中的一个流体连通。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的循环式变吸附床单元，其还包括旁路密封件，所述旁路密封件布置在所述吸附床和所述壳体之间并且配置成阻止所述壳体和所述吸附床之间的流体流动。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的循环式变吸附床单元，其还包括热膨胀环，所述热膨胀环布置在所述吸附床和所述壳体之间并且配置成对准所述循环式变吸附床单元内的所述吸附床。
10.根据权利要求9所述的循环式变吸附床单元，其中所述热膨胀环焊接到所述吸附床。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的循环式变吸附床单元，其还包括流动叶片，所述流动叶片布置在所述第一头部内并且配置成分配从所述导管到所述吸附床的流体流动。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的循环式变吸附床单元，其中所述导管包括一个或多个结构元件以引导通过所述导管的流动从而保持通过所述导管的近塞流态。
13.一种用于从进料流移除污染物的工艺，所述工艺包括：
a)在吸附床单元中执行一个或多个吸附步骤，其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括：(i)打开至少一个第一提升阀以将气态进料流从进料入口导管传送到布置在所述吸附床单元的壳体的内部区域中的吸附床，其中所述至少一个第一提升阀与所述进料入口导管直接流动连通并且配置成控制沿着流动路径的流体流动，该流动路径从所述壳体外部的位置通过所述进料入口导管延伸到所述吸附床，其中至少一个第一提升阀具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的第一阀横截面区域，(ii)将气态进料流暴露于所述吸附床以从气态进料流分离一种或多种污染物从而形成产品流，以及(iii)打开一个或多个产品提升阀以将产品流从所述壳体中的内部区域导出到产品导管；
b)执行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括将吹扫流传送到所述吸附床单元中以在吹扫输出流中导出所述一种或多种污染物的至少一部分，其中吹扫输出流经过至少一个第二提升阀，其中至少一个第二提升阀具有布置在所述吸附床的接口横截面区域外侧的第二阀横截面区域；以及
c)在至少一个附加循环中重复步骤a)至b)，其中循环持续时间为大于1秒且小于600秒的时段。
14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述至少一个第一提升阀和所述至少一个第二提升阀通过导管与所述吸附床直接流体连通。
15.根据权利要求13所述的工艺，其中所述至少一个第一提升阀通过第一导管与所述吸附床直接流体连通，并且所述至少一个第二提升阀通过第二导管与所述吸附床直接流体连通。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的工艺，其中打开多个进料提升阀还包括经由布置在所述吸附床和所述至少一个第一提升阀之间的流动转向器将气态进料流分配到所述吸附床。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的工艺，其中打开所述至少一个第一提升阀还包括用第一致动机构线性地移动至少一个阀杆以在联接到所述至少一个阀杆的盘元件和固定到所述吸附床单元的一部分的阀座之间提供开口。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的工艺，其还包括：
中断循环；
在所述至少一个第一提升阀和所述至少一个第二提升阀附近从所述吸附床单元移除头部以将开口暴露于所述内部区域；以及
从所述内部区域移除所述吸附床，其中所述至少一个第一提升阀和所述至少一个第二提升阀联接到所述吸附床单元。
19.根据权利要求18所述的工艺，其还包括：
将第二吸附床布置到所述内部区域中；
将所述头部固定到所述吸附床单元；以及
恢复所述工艺的循环。
20.根据权利要求18所述的工艺，其还包括用热膨胀环在所述内部区域内引导所述吸附床单元。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的工艺，其还包括：在移除所述头部之前将碎屑箔插入端口中。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的工艺，其中从所述内部区域移除所述吸附床不包括从所述吸附床单元移除所述至少一个第一提升阀、所述至少一个第二提升阀或者任何关联导管中的任何一个或多个。
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