CN109647131B - 一种脉动射流变压吸附净化气体的装置 - Google Patents

Abstract

一种脉动射流变压吸附净化气体的装置，包括变压吸附单元、脉动电磁阀、脉动控制系统，本发明通过脉动电磁阀控制产生脉动流，在一定程度上增大工艺气体在吸附器内的流动湍流强度，减薄吸附剂颗粒表面阻碍气体进一步吸附的气体附面层，增大吸附剂内外气体浓度差，加快传质吸附速度，提高吸附效率，从而解决传统变压吸附过程中吸附不均匀、吸附效果差等问题。气体脱附阶段同样使用高效脉动流动形式，能极大缩短气体脱附再生时间，节省脱附所消耗的高温惰性气体或洁净工艺气体，且吸附剂脱附过程更均匀，延长吸附剂使用寿命。

Description

一种脉动射流变压吸附净化气体的装置

技术领域

本发明属于流体流动控制和传热传质技术领域，涉及一种电磁阀控制式产生脉动的变压吸附装置。

背景技术

变压吸附是一种很常用的分离或提纯气体混合物的工艺，其主要的工业应用包括：①气体干燥；②溶剂蒸汽回收；③空气分馏；④分离甲烷转化炉排放气和石油精炼尾气中的氢；⑤分离垃圾埯埋废气中的二氧化碳和甲烷；⑥一氧化碳和氢的分离；⑦异链烷烃的分离；⑧酒精脱水。全世界大量的变压吸附工程应用于这些领域及其它一些领域。实际上，上述所列的领域中，变压吸附已成为广泛应用的分离工艺，从个人医用的空气中分离90％的O₂到甲烷转化炉排放气中分离99.999％以上的氢均可适用。

此外，变压吸附分离还可应用于空分、化工、医药、冶金和电子等多种工业部门，用于气体分离、干燥、净化以及环保领域。

现有吸附工艺技术大多采用固定床(或填料床)装载相应的吸附剂，将待处理气体通过吸附剂，从上而下穿过固定床，通过吸附剂的物理吸附与化学吸附作用将待处理气体中的杂质气体吸附去除，然后通过吸附器的气体即为杂质气体控制在可接受范围内的气体。

工业应用过程中为了减少更换吸附剂的次数，延长单次吸附周期，增大吸附量，吸附器普遍设计为有较大的直径与高度，由于进气口不够分散与装填料过程中的缺陷，会导致工艺气体在穿过吸附器各横截面时存在不同的流动速度，因此也有部分区域存在疏松流畅区与相应的流动死区。因为吸附过程的不均匀，将会使得吸附剂提前吸附饱和，而有部分吸附剂并未起到真正的吸附作用。就在后续的再生过程中导致浪费能源且再生出的吸附剂有不同的吸附效果，从而恶性循环，使得整体吸附剂利用效率下降。最终导致吸附剂的浪费与吸附效果变差，从而增大吸附剂的投入成本。

虽然减小吸附器半径与增大吸附器高度可以在一定程度上解决这个问题，不过一方面此方法会导致流动阻力大大增加，后续运行过程中消耗能量过高，且各层压力变化较大；另一方面，对于现有的工业上已经在生产的吸附器难以直接解决问题，需要较高的改造资金，无疑增加了企业成本。

在吸附剂动态再生过程中，则会因为待处理气体的气速在各个区域不均匀，从而出现的疏松畅流区与流动死区，甚至导致吸附剂局部过热，使吸附剂失效，最终也会导致吸附剂再生效果差且不均匀，再次用于吸附过程中的效率也会大大降低。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种脉动射流变压吸附净化气体的装置。通过加入脉动流提高进入吸附器气流均匀度与吸附程度的变压吸附装置，其创新点在于通过使用特制的电磁阀与脉动控制系统的组合实现气体流动过程中产生脉动(0～20Hz)形式，将工艺气体由传统的稳定直接流动变为：稳定直流与可调频率脉动的激励流动，能一定程度上改变吸附器内流动压力，以此种增加的脉动流动不断地产生增压冲击和降压解吸的振荡脉动效应，能够击通变压吸附过程中的流动死区，极大程度地克服吸附剂床层内吸附不均以及流动死区的问题。

本发明采用如下技术方案，一种脉动射流变压吸附净化气体的装置，包括变压吸附单元、脉动电磁阀、脉动控制系统；所述变压吸附单元包括依次连接的混气室、吸附器、控制阀门及检测表，在混气室与吸附器之间设有并联的吸附器直流管路和吸附器脉动流管路，在吸附器直流管路上设有直流开闭阀，在吸附器脉动流管路上设有脉动电磁阀，脉动控制系统包括工作电源和时间脉动控制器，时间脉动控制器与脉动电磁阀连接，工作电源与时间脉动控制器连接，吸附器脉动流管路上设有压力传感器；

所述的吸附器顶部设有吸附器上封头，根据进气管路的数量在吸附器上封头上设置吸附器上管口，气体分布装置与吸附器上封头连接，该气体分布装置由多个上空间分隔板组成，在吸附器直流管路的下方设有筛网，在筛网之间装填有吸附剂，在吸附器底部设有吸附器下封头，在与吸附器上管口的对应位置吸附器下管口，下空间分隔板与位于底部的筛网连接，结构与上空间分隔板相同。

所述的脉动电磁阀内部采用抗压缩拉伸弹簧及线圈，进而使其更适用于较高频率的脉动，且能长时间适用，克服传统电磁阀用于单一启闭阀门使用，因此无法高频启闭，否则会损坏甚至失效的缺陷。

进一步的，脉动电磁阀并联设在吸附器上游管路上，由kN(k＝1,2,3,4……)块上空间分隔板将吸附器上端分成的2kN个独立隔断的空间腔室之中。

进一步的，在吸附器直流管路和吸附器脉动流管路上设有紧急泄放支路。

在混气室的上游设有进气管路，该进气管路包括并联设置的保护气管路和原料气管路，在保护气管路上依次设有保护气气瓶、保护气开闭阀及质量流量计；在原料气管路上依次设有原料气气瓶、原料气开闭阀，压力表及质量流量控制计。

进一步的，所述吸附器外壁上连接有恒温槽，经吸附器净化后的气体经管路排出，在吸附器的下游依次设有备压阀、净化气出口气开闭阀、杂质气浓度检测表和净化气浓度检测表。

进一步的，所述的压力传感器、温度测试仪、杂质气浓度检测表和净化气浓度检测表均连接PLC控制器进行控制。

进一步的，所述的吸附器可以采用多柱串联或并联设置。

本发明脉动控制系统使脉动电磁阀实现有序开关再以脉冲流形式流出，使通过电磁阀的气流以一定频率交替地通过与切断，可以通过N个电磁阀控制气体通过，既可以实现电磁阀同时启闭，从而形成统一频率的脉动的脉动流，也可以通过时间控制器控制N个电磁阀使气体脉动交替通过。通过电磁阀的气体与稳定流动的原料气一起连通到吸附器上端进入吸附器，在吸附器内设置气体分布器，用以将脉冲气流冲击力均匀分散，以防止各股脉动气流寻找阻力最小路径流动和过早地相混合，随后用变压吸附过程结合脉动流进行脉动变压吸附。增加的脉冲流在一定程度上增大气体在吸附器内的流动湍流强度，从而减薄吸附剂颗粒表面阻碍气体进一步吸附的气体附面层，增大吸附剂内外气体浓度差，加快传质吸附速度，提高吸附效率。本发明采用脉动电磁阀，而不是使用其他切换方法产生脉动流，其原因是电磁阀成本低廉，方法简易，而且产生的振荡脉动激励流可以通过脉动时间控制器进行调节控制，从而能更加准确地实现气流脉冲力大小的调控，使脉动吸附过程更智能可控。同时，本发明有稳定的直流，通过耦合流量较小的脉动流可以在对主流影响较小的情况下加快传质吸附速度，增大吸附量，避免脉动耗能过高以及对吸附剂的冲击破坏作用。

附图说明

图1为本发明一种脉动射流变压吸附净化气体的工艺流程图。

图2为气体分布装置的俯视图。

图3为本发明吸附器结构简图。

图4为上空间分隔板及下空间分隔板结构示意图。

图中，1、保护气气瓶，2、保护气开闭阀，3、质量流量计，4、原料气气瓶，5、原料气开闭阀，6、压力表，7、质量流量控制计，8、混气室，9、紧急泄放支路，10、脉动电磁阀，11、时间脉动控制器，12、直流开闭阀，13、吸附器直流管路，14、吸附器脉动流管路，15、压力传感器，16、气体分布装置，17、恒温槽，18、吸附器，19、温度测试仪，20、备压阀，21、净化气出口气开闭阀，22、杂质气浓度检测表，23、净化气浓度检测表，24、上空间分隔板，25、吸附器上管口，26、吸附器上封头，27、筛网，28、吸附剂，29、吸附器外壳，30、下空间分隔板，31、吸附器下封头，32吸附器下管口，33、工作电源。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。在实际操作中可根据实际工况、设备装置的大小以及吸附剂与吸附气体种类(即吸附方式)改变脉动频率、调节冲击力大小，以找到防止各股脉动气流寻找阻力最小的路径流动与冲击力过大影响吸附之间的适宜值。

实施例1

一种脉动射流变压吸附净化气体的装置，包括变压吸附单元、脉动电磁阀、脉动控制系统；所述变压吸附单元包括依次连接的混气室8、吸附器18、控制阀门及检测表。

在混气室8的上游设有进气管路，该进气管路包括并联设置的保护气管路和原料气管路，在保护气管路上依次设有保护气气瓶1、保护气开闭阀2及质量流量计3；在原料气管路上依次设有原料气气瓶4、原料气开闭阀5，压力表6及质量流量控制计7。

在混气室8与吸附器18之间设有并联的吸附器直流管路13和吸附器脉动流管路14，在吸附器直流管路13上设有直流开闭阀12，在吸附器脉动流管路14上设有脉动电磁阀10，脉动控制系统包括工作电源33和时间脉动控制器11，时间脉动控制器11与脉动电磁阀10连接，工作电源33与时间脉动控制器11连接，吸附器脉动流管路14上设有压力传感器15。在吸附器直流管路13和吸附器脉动流管路14上设有紧急泄放支路9。所述吸附器18外壁上连接有恒温槽17，经吸附器18净化后的气体经管路排出，在吸附器18的下游依次设有备压阀20、净化气出口气开闭阀21、杂质气浓度检测表22、和净化气浓度检测表23。所述的压力传感器15、温度测试仪19、杂质气浓度检测表22和净化气浓度检测表23均连接PLC控制器进行控制。温度测试仪19可检测到吸附器18内部的温度。

实施例2

脉动射流变压吸附净化气体的装置吸附器18的具体结构如下：

在混气室8与吸附器18之间设有并联的吸附器直流管路13和吸附器脉动流管路14，吸附器脉动流管路14为两条，在吸附器直流管路13上设有直流开闭阀12，在每条吸附器脉动流管路14上设有脉动电磁阀10，时间脉动控制器11与脉动电磁阀10连接，工作电源33与时间脉动控制器11连接，吸附器脉动流管路14上设有压力传感器15。在吸附器直流管路13和吸附器脉动流管路14上设有紧急泄放支路9。

吸附器18顶部设有吸附器上封头26，在吸附器上封头26上设置气体分布装置16以实现对吸附器进行不同区域的划分，引导气体分区域吸附的作用。该气体分布装置16由多个上空间分隔板24组成，本实施例中，设有五个吸附器上管口25，其中一个为直流进气口，另外四个为脉动流进气口，上空间分隔板24的中间管状部分套在直流管外壁，直流气经过吸附器直流管路13流出后，进入上空间分隔板24的中间管状部分，脉动流气体从其余的区域进入到吸附器内，从而将主流直流气进行扰动，从而增强吸附效果。在吸附器直流管路的下方设有筛网27，在筛网27之间装填有吸附剂28，在吸附器18底部设有吸附器下封头31，在与吸附器上管口25的对应位置吸附器下管口32，所述下空间分隔板30与位于底部的筛网27连接，吸附净化的气体经吸附器18的下游管路排出。

实施例3

本发明中上空间分隔板与下空间分隔板形状相同且对称安装，本实施例以上空间分隔板为例，对其结构进行详细说明。

将吸附器18上方设置与脉动控制阀数量相等的N个阀门，然后通过与吸附器上封头26内壁曲率能够贴合的上空间分隔板24将不同阀门进入的气体分隔成不同区域。该上空间分隔板24是由N/2个半椭圆型圆板或半碟形板中间对称轴焊接到一起组成的焊接板。如附图4所示，上空间分隔板24由两组半椭圆型圆板和中间管状结构组成，两组半椭圆型圆板中心对称焊接，使上空间分隔板形成4个分隔的区域，半椭圆型圆板的曲率与吸附器封头内部曲率可以完全重合，上空间分隔板24顶部紧贴吸附器封头下方安装，上空间分隔板24下部至筛网处。

实施例4

采用本发明装置进行脉动射流变压吸附净化气体的工艺，运行参数范围如下：

操作气压力范围：0.01～10MPa；

工艺气体流量：0.1～10000Nm³/hr；

脉冲流振荡频率：0.1～20Hz。

S1.首先通过开启保护气开闭阀2以及调控质量流量计3使保护气进入，同时开启直流开闭阀12，保护气经过吸附器直流管路13通过气体分布装置16将气体分布均匀后进入吸附器18，其中气体分布装置16主要通过上空间分隔板24与下空间分隔板30将整个吸附器18均分为N个区域，从而将脉动气体均分N个区域进行吸附，然后在备压阀20的调节控制下使用保护气(Ar气、He气或其他惰性气体)将吸附器18备满相应压力的保护气；

S2.开启原料气开闭阀5通过质量流量控制计7调控通过的原料气气体流量，在混气室8内混合均匀后，开启脉动电磁阀10。

将原料气的5％～20％(根据不同的脉动吸附效果)分流进入脉动电磁阀10，通过调节周期切换为周期为T的间歇脉动的流动方式，可以通过调节时间脉动控制器11来调节脉冲振荡频率，在普通流动过程中添加一定程度的脉动冲击，有效击破吸附流动死区。同时通过时间脉动控制器11调节控制脉动电磁阀10脉冲的频率，使得原料气体以一定的脉冲频率通过，设置的N个脉动电磁阀可以自主调节脉动频率，既可以N个脉动电磁阀同时启闭，也可以按照一定的顺序间歇脉动。通过压力传感器15的检测并判断进入吸附器18之前的原料气的脉动强度(或压力)的大小，脉动流经吸附器脉动流管路14通过吸附器18上部的气体分布装置16进入吸附器18内部，通过气体分布装置16进行区域划分，将脉动吸附的冲击力分解为几个区域进行均匀脉冲吸附。进入吸附器18内部的气体通过筛网27过滤，进入吸附剂28进行吸附，使得整体气体分离的吸附过程中气流紊流强度更高，从而减少流动死区。同时恒温槽17进行温度的控制，通过温度测试仪19深入吸附器18内部检测吸附器18每层的温度，由直流开闭阀12控制使经过吸附器直流管路13的气流是恒定的，避免在脉冲过程中由于压力变化过大而导致的吸附杂质气体不完全就被冲击力冲击穿透等问题。经过吸附剂28床层吸附之后的气体再通过吸附器下端的下空间分隔板30将气体导出，从而可以大大提高其吸附的均匀性。最终气体通过净化气出口气开闭阀21，并使用杂质气浓度检测表22与净化气浓度检测表23进行出口气成分的浓度检测，通过电脑记录并保存相应数据，从而确定吸附效果。

S3.对于脱附再生过程，采用与吸附同样的装置，将再生气从吸附器18的下方进入，通过再生后气体穿过吸附剂从吸附器上管口25流出，通过使再生气产生脉动的方式进行脉动再生，与吸附过程是刚好相反的流程。通过将脉动电磁阀10和时间脉动控制器11接到吸附器18的底部入口，通过调节脉动电磁阀10和时间脉动控制器11调节脉冲激励流的频率和流动方式，然后通过使再生气产生脉动的方式进行脉动进入到吸附器18内实现再生。由于脱附阶段也依然使用高效的脉动流动，可以缩短脱附再生的时间，节省脱附所消耗的高温惰性气体或洁净的工艺气体，从而提高脱附效率，改善气体脱附效果，从而为之后的进一步吸附过程提供良好的吸附剂。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种脉动射流变压吸附净化气体的装置，其特征在于，包括变压吸附单元、脉动电磁阀、脉动控制系统；所述变压吸附单元包括依次连接的混气室（8）、吸附器（18）、控制阀门及检测表，在混气室（8）与吸附器（18）之间设有并联的吸附器直流管路（13）和吸附器脉动流管路（14），在吸附器直流管路（13）上设有直流开闭阀（12），在吸附器脉动流管路（14）上设有脉动电磁阀（10），脉动控制系统包括工作电源（33）和时间脉动控制器（11），时间脉动控制器（11）与脉动电磁阀（10）连接，工作电源（33）与时间脉动控制器（11）连接，吸附器脉动流管路（14）上设有压力传感器（15）；

所述的吸附器（18）顶部设有吸附器上封头（26），根据进气管路的数量在吸附器上封头（26）上设置吸附器上管口（25），气体分布装置（16）与吸附器上封头（26）连接，该气体分布装置（16）由多个上空间分隔板（24）组成，在吸附器直流管路的下方设有筛网（27），在筛网（27）之间装填有吸附剂（28），在吸附器（18）底部设有吸附器下封头（31），在与吸附器上管口（25）的对应位置吸附器下管口（32），下空间分隔板（30）与位于底部的筛网（27）连接，结构与上空间分隔板（24）相同；

脉动电磁阀（10）内部采用抗压缩拉伸弹簧及线圈，脉动电磁阀（10）并联设在吸附器（18）上游管路上，由kN块上空间分隔板将吸附器（18）上端分成的2kN个独立隔断的空间腔室之中，其中k=1,2,3,4……，N为脉动电磁阀（10）的数量；

在吸附器直流管路（13）和吸附器脉动流管路（14）上设有紧急泄放支路（9）；在混气室（8）的上游设有进气管路，该进气管路包括并联设置的保护气管路和原料气管路，在保护气管路上依次设有保护气气瓶（1）、保护气开闭阀（2）及质量流量计（3）；在原料气管路上依次设有原料气气瓶（4）、原料气开闭阀（5），压力表（6）及质量流量控制计（7）；

所述吸附器（18）外壁上连接有恒温槽（17），经吸附器（18）净化后的气体经管路排出，在吸附器（18）的下游依次设有备压阀（20）、净化气出口气开闭阀（21）、杂质气浓度检测表（22）、和净化气浓度检测表（23）；

所述的压力传感器（15）、温度测试仪（19）、杂质气浓度检测表（22）和净化气浓度检测表（23）均连接PLC控制器进行控制；所述的吸附器可以采用多柱串联或并联设置。

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