CN1103623C - 径向床真空/变压吸附容器 - Google Patents

Abstract

本文公开了含一单个固定吸附器室的用于真空变压吸附空气分离的径向床吸附容器。该容器的独特设计减少了空隙体积、改善了多向流量分布、并且为循环操作提供了所需的床约束。

Description

径向床真空/变压吸附容器

技术领域

本发明涉及用于变压吸附(PSA)或真空/变压吸附(VPSA)过程的容器，更具体地说，本发明涉及用于VPSA过程的改进的径向床容器。

背景技术

VPSA和PSA方法使用一选择性吸附剂来从气体混合物中去除至少一种气体组分。两种方法均使用四个基本处理步骤：吸附、降压、清洗和再加压。PSA法和VPSA法为人们所熟悉并且被广泛地用于选择性地分离空气组分即氧气和氮气。

吸附容器的设计对空气分离系统的有效运作是关键的。在吸附容器设计上的改进途经有降低能耗、降低基本投资和提高设备生产力三个方面。

VPSA容器一般设计成轴流吸附器，当设备生产力需求使得容器直径大于4-5米时，就会超过经济承载限度，从而使得其适用性受至限制。这导致要求实地安装所述轴流容器，而这种实地安装是昂贵和困难的。这种大直径容器在上顶空间和下顶空间本身就具有大的空隙率百分比，同时呈现出由于大横截面带来的流量分配困难。结果，当使用轴流容器设计时，大规模VPSA系统(即：＞80T/天)的经济性受到损失。

VPSA系统运作受到床压降和容器内空隙体积的负面影响。床压降代表着VPSA方法中导致效能差的一项实际原因。由于这些系统的较低操作压力和回收率，而要求大的进出吸附器的气流量。这种大的气流量导致越过床的高的表面气体速度，产生有害的压降，导致效率的损失。这种床压降损失一般占能耗的10-15％。

在一轴流床中，如果吸附床横截面由于增大直径和降低塔速度而增大，那末就需要较大的吸附剂物料量。为改善能耗这增加了基本投资，导致总体经济性上基本没有收获。

在吸附容器中的空隙空间也在VPSA系统中产生损失。留在下端区的那部分气体在所述循环中被加压和减压，最终导致放空损失。类似地留在上端区的那部分气体在产品制备步骤后被浓集到氧气中，随后在排废步骤中被排空并充当低效的氧气清洗流。这种氧气清洗气的低效使用导致总体处理效率的低下。

先进的VPSA循环使用较短循环周期的强力吸咐剂，放空损失和顶端氧气清洗流损失可能变得相当大。

先进吸附剂及循环过程的采用驱使VPSA工艺设计向降低床长充的方向发展。这种先进吸附剂一般可有效地用一较短的传递长度运作，因此容易吸纳这一特征的容器设计是吸引人的。伴随轴流容器的较短床长度的使用是可能的。但是当需要大尺寸设备时，容器的直径会变得过大。

大多数大的PSA系统或使用带两床循环的四床格式的平行轴流容器，或使用带常规循环的大的水平(卧式)容器。这种多容器、四床设计的使用增加了设备的复杂性和花费。卧式容器的使用增加了不均匀床形状的低效能并导致了能耗上升。对于大规模VPSA氧气生产来说，这种设计也不被认为是最佳的。

在先有技术中已有径向床设计结构，最初源于预纯化器和反应器系统设计。参见Poteau等的美国专利5232479、Metschl等人的美国专利4544384、Bosquain等人的美国专利4541851和Rogers的美国专利3620685。有时，也对这种径向床设计在PSA系统的使用方面进行了权利要求。每一种先有技术的径向床设计均表现出具有一项或多项下列障碍：

1)大的空隙体积；

2)不均匀流动通道；

3)没有为反向流动操作考虑的设计；

4)其设计包含了多吸附床部分；

5)复杂的内部结构使吸附剂装载困难；

6)高压降；等。

因此，本发明的目的是提供在VPSA或PSA过程中使用的只用一个空隙体积小的吸附器室的改进的容器。

本发明的另一目的是提供在VPSA过程中使用的能实现逆转流动方向和改善流量分布的改进的容器。

本发明的还一个目的是提供在VPSA过程中使用的改进容器，它在一受限吸附床中使用紧密填充的吸附剂并减少了吸附剂用料量。

本发明的再一个目的是提供在VPSA过程中使用的改进的容器，它能达到：此常规设计降低能耗；通过比先有技术设计所能提供的更好的因素扩大设备规模；设备生产力不受吸附容器体积限制。

发明内容

用于变压吸附气体分离处理中的容器包括限定具一顶区和一底区的封闭空间的封闭壁。一环形吸附床置于所述封闭空间中，它具有一多孔外壁、一多孔内壁和置于两壁间的吸附材料。多孔外壁和封闭壁分隔开而在其中形成气体进料通道，多孔内壁围绕其表面和所述多孔内壁分开的内罐并在其间形成产品流通道。一可选的气体进料/分布档板结构置于所述容器的底区并和气体进料通道流通以向它提供气体进料。所述气体进料经多孔外壁并以常规放射状地朝内多孔壁和产品流动通道的方向进入气体进料通道和吸附床。产品出口位于和产品流动通道流通的位置以收集经多孔内壁从吸附床通至的产品气。在其上端一柔性膜在多孔外壁和多孔内壁之间延伸并且被加压以便施压于吸附材料的上表面以防气体流动时吸附材料流化。

附图说明

图1是结合了本发明的VPSA容器的图示。

图2是显示限制图1的VPSA容器中的吸附床的内外筛壁结构细节的截面示意图。

图3是用于将进口气流分布到图1的VPSA容器中的可选的经流分布档板的示意图。

图4是带有出口在吸附器的底部的产品导管42的“ U”形流量分布型容器的结构细节的示意图。

具体实施方式

开始先根据图1-3描述VPSA容器10的总体结构，接着详细讨论所述容器每个主要组件。VPSA容器10(见图1)包括一外容器壁12，在12内设有一环形径向床14。径向床14包括由外环形筛壁16和内环形筛壁18固定的吸附珠粒的紧密填充区。容器壁12和外筛壁16间的区域界划形成了外环形通道20。内筛壁18和内罐22的外壁29间的区域界划形成了一内环形通道24。

径向床建立在一床支持结构26上。在其最上端，径向床14由一加压的软外壳28向下压。一加压进口(未绘出)给预壳32下面的区加压，依此引起软外壳28向床14中的吸附剂伸展。此外内罐22通过开口30也维持和软外壳28相同的压力水平。

顶壳32环绕VPSA容器10的最外区并且经开口34可导入可装卸的进料管36以将吸附珠粒载入吸附床。在VPSA容器10的最低端置有一进口即进料和废料管道40。管道40和分配往内和往外两种流动气体的分布区38相连。下分布区38和输送气流至外环形流动通道的辐流通道52相加。通道52由下部外壳33的壁和下部内壳35的壁限定形成。

图3显示了可选的最下面经流分布档板38的细节。经外管道40输入的气体通过档板46沿着通常朝外环进料通道20的径向导向。档板46确保了进口气体较均匀分布到外环进料通道20。这种下分布也可用多孔板(未画出)代替档板46来完成。

如图1和2所示，进入外环进料通道20的气体向上运行并接着径向通过外筛壁16进入辐形吸附床14。在那里，较少在进料中的所需气被吸附并且较多所需气体流出内筛壁18并进入内环产品通道24。从那里，产品气向下流动并且通过容器10的顶部流出管道42。

现在将讨论VPSA容器10的详细情况。原料和废气通过管道40供给，所建造的加工管道内部是平直的以在最小压降下将近乎均匀的流量分布提供到容器10中。然后原料气通过经流分布区38，将气体通过区52均匀分布到外环进料通道20。图3所示的经流分布档板46以可选的布置形式使用。这些档板提供所述经流气体以离心流方式。所述气体以离心流形式排出并且在一敞开的下部端区52进一步混合和均压。

一直壁多孔档板也可代替径向档板46使用。与径向档板46相比，多孔档板可能具有较高的压降。当在管道40输入的气体不是均匀型并且需要进一步整理时，就要使用这些操作档板布置。

现在在下顶端区52均匀分布的气体通过垂直的外环进料通道20供应到径向吸附床14。所述气体以向内和径向方式流过吸附床14。在吸附床14的产品端排出的气体在内环产品通道24收集并且向下流动。这种流动安排构成了“U”形流动方式。

产品气在位于VPSA容器10的端部收集区54收集。所收集的产品气通过管道42排出容器，排出容器10的顶部。

产品气管道42也可设计成从所述容器的底部出口。图4显示了产品导管42包含于进料导管40之内并口含从底部出来的排布。

对VPSA处理的成功运作来说容器流量分布是关键的。对流量分布的主要起作用者是径向吸附床14的进料端和产品端之间的通道压力差。这种压力差是分压损失和速度头回收率或流动气体损失之综和。当气流正进入一通道时这些影响趋于消失，当气流正流出一通道时这些影响是增加的。消失和增加的程度受所述室的内部几何形状(即直壁形、正锥形或抛物锥形)的影响。此外，所有VPSA处理方法均周期性地反转气流方向以完成随后的吸附和解吸处理步骤。因此，在每个步骤带入的流量不良分布的影响必须相应地衡量。

考虑上述问题后，采用了“U”形气流取向和锥形壁垂直流动室几何形状20。已发现锥形流动通道在逆向流动应用中改善了流量分布。通过在底端提供更大的进口区域或通道20的气体出口/进口，这种锥形流动通道是有效的。这些大区域实际上减少了在进料和废气流中的压力损失，所以提高了处理效率。通道20的锥形设计减少了该通道有害的空隙。当压力水平反转时这种空隙带来了放空损失。通道锥形化平衡了空隙体积和压降损失。U形流动通道和锥形壁流动通道结合使VPSA容器10的处理效率达到极大，同时也减小了在最小空隙空间下伴随着流动方式反转的流量不良分布的影响。尽管所示的出口通道24不是锥形的，但它也可从顶到底锥形化。

要达到VPSA要求，在径向床设计中一些流量不佳分布是不可避免的。在图1-3所示的整个流动通道和内部流动通道几何形状的选择平衡了在整个循环中在所述各流动通道的分压损失和动态压力损失并使流量分布、压降和空隙之间达到可接受的平衡状态。

每个通道宽度根据给定方法中压降、空隙体积和流量分布损失的综合考虑来选择。外环进料通道20进口的优选宽度是吸附床14垂直长度的4.5％，优选范围为4-5％，一般范围为2-8％。内环产品通道24的总的宽度范围是吸附床14垂直长度的5-13％、优选范围为7-11％，优选宽度为14垂直长度的9％。

外环进料通道20的进料面积和内环产品通道24的面积比根据处理气体流量选择，优选值为2.4，优选范围为1.25-3。

VPSA容器10被设计成使非所需的空隙区达到最小。在吸附床14的进料端处的空隙通过床架结构26降到最小。床架结构26被建成一内罐。这种设计依此消除了伴随该区域出现的空隙体积。在常规容器中下端空间是空置的，给系统带来了不必要损失。这种空隙在操作时被循环和被交替地加压和降压，产生放空损失。在进料端VPSA容器10的空隙体积一般为吸附床体积的10-25％。

所述内罐床架系统可设计成能支持循环压力应力的封闭压力容器，或设计成填满固体材料的罐，从而敞开在所述容器的较低压力下。

在辐形吸附床14的产品端的空隙体积通过位于VPSA容器10中心处的内罐22减小。内罐22在顶部30处开口并且被加压到和固定软外壳28同样的压力。罐22的下部通过一盖封闭，进一步减少无需的空隙和分布输入的氧气回流气体。

产品端空隙容积在操作时被周期循环，在这些通道中的氧气产品被加压和解压，在排空步骤中充当低效氧气清洗流。这种氧气清洗的无效使用引起了氧气/氮气解吸锋的拉长以及后来废气去除步骤时氧气的损失。这导致了氧气回收率的下降。为减少这些损失，VPSA容器10产品端空隙百分率一般为吸附床14体积的3-10％。

在VPSA操作中内部的床流动通道是关键的。为促进和维持气体流量分布，均匀的床分布型是必须的。这在毗邻表面的床的顶角和底角处特别重要。内部床设计和流动通道在图2显示。吸附床14完全对称，在所有连接表面上没有任何断点，内部流动通道完全均匀，没有未扫到的床区域。

筛壁16和18和软外壳28之间的界面显示于长划线圈60处。所述筛壁延伸到吸附床14上方，所述吸附珠粒由软外壳28覆盖和密封。其高度为床垂直长度的2-4％，允许在首次装载时或由于沉降引起吸附剂水平有差异，但不允许有未扫到的区域。筛通过密封环66装到多孔支持板64上，密封环66被设计用来在没有产生大的阻碍的情况下接受所述筛，它不能软外壳28覆盖。该系统提供了正吸附剂和软外壳密封。

筛壁在床支持板68下方延伸并使用一密封环或插入一槽(未画出)内的填料接连到该区域。该区域完全用密封材料填充，形成一均匀流动通道。

吸附床14受限于柔性软外壳28的密封作用。软外壳28对床提供了限制，同时它本身也是提供均匀的床流量分布型的流动组件的必要部件。在容器10中的径向流动通道产生了如没提供限制就会抬高所述床的顶角区的床分压。软外壳被设计用来提供这种限制，并且不带空隙或不均匀流动通道。

软外壳28被置于吸附床14的顶部，只覆盖所述床的内外缘的两同心圆范围内形成的床区。然后软外壳28在边缘通过压夹密封并通过加压顶端区28将压力加到高于最高循环压力的压力。可压缩海绵材料(未画出)被塞在邻近壁18和16的吸附床的顶部。这种材料受软外壳28的压缩确保了在床的顶角处吸附剂的保持。这确保了所有工艺条件的固定。容器结构被设计成能支持其最大固定压力。

VPSA容器10被设计成可提供适应美国专利5234159所标的吸附剂密集装载器系统的安装和操作的空间。该专利与本专利所指定的代理人是相同的。专利5234159的公开通过引用并入本文。上端区27(图1)保持空置状态以便安置旋转臂组件36。在VPSA容器10中进行的较短床低压降VPSA过程需要均匀密实装填的吸附剂。在床14上这种密实装填的吸附剂提供了维持均匀流动分布所需的均匀压降分布。

吸附剂装填后，臂组件36被移除。这种装填系统的应用具体通过可移除的顶部法兰/产品管道组件和内部连接管、低分布型内部顶空罐和可移除床固定软外壳的设计成为可能。

原料空气流通过一可选的径流分布档板(图3)均匀环绕地将气体分布到外环通道20。在这种可选的安排中，档板46提供了径流气体以离心流动方式，径流气体然后在空敞的下端区52进一步混合和均压。图中所示的档板是直的，但实际上为减少分离降低压降也可以是弯曲的。进口流量分布系统也可设计用多孔板或另外的档板组件以产生径向压降。

尽管VPSA处理没有设计成会产生大的温差，但进口温度和出口温度是不同的。上述的设计通过将吸附床14的内筛壁18只与下固定床架相连而留空内筛壁18的顶部以适应于改变着的作业温度来解决该问题。

尽管已描述了一优选的实施例，但仍可进行大量的改变。上面软外壳28的加压区可用一密实材料代替。这种密实材料可以是在软外壳28上提供限制吸附剂所需的向下负荷的金属球或陶瓷球。

所述的可选的进口气流分布系统可不同地设计。上述的结构促使径向外流气体有一环绕流动方向。然后这种加压气体在周围的环室中平衡。所述径向档板可由一基本产生相同分布但带来压降稍许上升的多孔板档板代替。在进口和出口径向床多孔壁板上可用分段穿孔代替均匀穿孔。

尽管容器10是具体针对氧气循环中VPSA操作设计的，但它也可在其它应用领域使用。这些领域包括不需要高温热再生的吸附处理，诸如氧气或氮气生产用PSA吸附、和空气的PSA预纯化。为适应这些应用的具体流量需求，需要对容器设计参数加以修改。

总的来说，本发明提供了众多有利特点：单固定床：

为了用吸附床14中的整体预纯化器部分操作，容器10综合了吸附剂、工艺和容器设计特征。这种特点不同于使用单独吸附器部分来完成预纯化的许多其它容器。因此容器10只含包括预纯化器和主分离区两者的一吸附床部分，这使建造简化。容器10能实现使用一固定吸附床的VPSA工艺的氧气的大规模生产。其它吸附容器设计使用为完成处理气流开关而绕着容器内的内部开口转动的多个吸附室。这种旋转床工艺在大尺寸使用  复杂得使人不敢用。外端进入的原料流动分布型：

原料空气在所述系统的循环过程中被吸附，以原料气从外朝中心流动来布置容器，利用减小床横截面连同减少气体流量的几何形状。外进料端流动区和内产品端流动区成一比率并和处理气体流量相关。可逆流动方向(“U”形流动通道)

气体流动通道的安排是进料流沿外通道向上流动而产品流在中心通道向下流而形成一“U”形流动方式。VPSA处理在循环处理的一些阶段以逆气流方向运作，容器10的设计适应这种逆向流动。可逆的流动方向：

在锥形壁流动通道上对直壁流动通道进行了模拟。计算结果表明锥形流动通道提供了最低的压降和空隙体积而同时维持可接受的流量分布。容器10采用锥形垂直流动通道设计。低的空隙体积—短循环的应用

在进料分布通道和产品分布通道上低空隙体积对先进VPSA系统的有效运作是必需的。使用先进吸附剂和循环的VPSA系统以一短循环时间运作。这个特征是吸附剂的高利用率和低的床尺寸因子的自然结果。在下端中的那些气体在循环过程中被加压和减压，引起放空损失。在上端的那部分气体富集了氧气，当容器10排空时，该气体被拉吸过床，充当一无效氧气清洗流并提高了废气中的氧气含量。这种氧气清洗的无效使用导致了整个方法回收率的低下。

如果不采取具体减少空隙的措施，所述放空损失和氧气清洗损失会达到相当大的水平。容器10的这种径向床设计减少了进料端和产品端空隙。均匀的床流动区：

容器10具有促进及维持床内分离前锋的均匀移动的床几何形状。在这方面内部床流动通道的设计是关键。如果这些前锋不均匀，在吸附和解吸步骤结束时会在床的各个扇形区发生过早穿透。这种过早的局部锋穿透例如会导致低纯废气体混入主产品流中，从而降低总效率。

在床设计中断点现象在汇入相邻表面的床的顶角和底角处特别严重。这需要用在两端均没断点的完全不中断和对称的几何形状设计所述容器。容器10的侧壁筛组件满足了这一要求。约束床固定系统：

径向床VPSA容器必须设计有约束床固定系统以防止吸附剂流化。某些VPSA循环中气体速度高，导致在循环的某些阶段出现超过流化水平的速度。也存在由于设备故障引起的失灵的可能性，可能在非限定床上引起大规模床流化。由于容器10包括均匀密实填充的吸附剂，任何有碍这种密实度的吸附剂的流化均是有害的。上述的软外壳固定系统满足了所述固定需求，同时在这种可变高度的吸附床内形成了一均匀流动通道。由于运作时吸附剂沉降紧实，吸附长度可能有差异。进口流量分布：

流量分布是容器10的一项重要项目。必须将进口和出口处的设计压降保持在小的水平以降低能耗。这就要求维持输入气体均稳的流量分布而不产生不必要的压降或空隙空间。如果不能设计出在该进口提供均匀流量的管道系统，那么就通过径向档板布置的使置用将容器10的进口处设计成可以均匀环绕方式分布输入气体。

连接进口40和出口锥形通道20的流动通道也是一工程流动通道。通道52由下端33和下空罐35组成。通道52是锥形的用以在进出区40和通道20间提供平稳过渡并且使空隙体积和压降达到最小。均匀的床填充密度：

如上所述，在先进VPSA吸附器中床长度小，表面气体速度大。这在容器的循环处理中所生了快速推进前锋，并需要维持所述前锋尽可能均匀。如果这些前锋不均匀，在床的各个区处可能出现过早穿透，降低了分离效率。通过填充床结构的压降是填充密度的函数，而流量是压降的函数。因此，如果需要前锋移动均匀，那么吸附剂的填充密度非常重要。

容器10适应使用能使整个吸附床的装填达到均匀密度的密实填充装填器系统。容器10的上端区有意空出，可选择所述端区和床位置具体安排为装填器安装作准备。

应理解前面的描述只是本发明的说明。本领域技术人员可在没有背离本发明的情况下做出各种改变和修饰。因此，本发明将包含所有落于所附权利要求书范围内的这种改变、修饰和异化。

Claims (11)

1.用于变压吸附气体分离过程的容器，它包括：

限定一具顶区和底区的封闭空间的闭式壁装置；

位于所述封闭空间内所述顶区和底区间的环形吸附床，具有一多孔外壁、一多孔内壁和位于两壁间的吸附材料，所述多孔外壁与所述闭式壁装置分隔开来在其间形成一气体进料通道，所述多孔内壁围绕着一个腔室；

位于所述腔室中并与所述多孔内壁分离以在其间形成一产品流通道的内壁装置；

位于所述底区并和所述气体进料通道流通以提供气体进料的气体原料进口装置，所述气体原料依此经所述多孔外壁并总体上径向地朝所述内多孔壁和产品流动通道的方向进入所述气体进料通道和所述吸附床；和

位于所述底区并和所述产品流动通道流通的产品出口装置，所述产品流通道用于收集经所述多孔内壁通到该处的产品气体以及提供其产品流，其中所述产品出口装置包括和所述底区流通并向上延伸通过所述顶区的一出口管道。

2.权利要求1的容器，还包括：

在其上顶端延伸至所述多孔外壁和所述多孔内壁之间的可移动限制装置；和

用于加压所述顶区的至少一部分以使所述可移动限制装置对所述吸附材料的上表面施压的装置，所述顶区维持在超过所述吸附床内经历的最高压力的一压力下，其中所述可移动限制装置包括

可用于防止在所述环形吸附床的上部出现未扫到区域的附于所述多孔外壁和多孔内壁两者之上的一柔性膜。

3.权利要求2的容器，其中所述内壁装置构造成具有和所述被加压的顶区的所述部分相连的一开口的罐，依此使所述罐获得同样的加压水平。

4.权利要求1的容器，其中所述气体进料进口装置包括，

一进口管道；和

连接于所述进口管道和所述气体进料通道之间的用于将总体径向流动方式提供给所述气体原料以便在所述气体进料通道获得进料气体的实际均匀分布的分布装置，其中所述分布装置包括一闭合罐，罐上部用作所述环形吸附床的床架，下部限定出从所述气体原料进口装置的一进口延伸到所述气体进料通道的一进口通道。

5.权利要求1的容器，其中所述闭式壁装置以形成一锥形气体进料通道的方式和所述多孔外壁分开，其中所述内壁装置通过一实际固定距离和所述多孔内壁分隔开而形成一横截面实际恒定不变的产品进料通道。

6.权利要求5的容器，其中所述气体进料通道在所述闭式壁装置和所述多孔外壁间的横截面宽度为所述环形吸附床高度的2-8％。

7.权利要求5的容器，其中所述产品流动通道在所述内壁装置和所述多孔内壁之间的横截面宽度为所述环形吸附床高度的5-13％。

8.权利要求5的容器，其中在所述气体进料通道和所述气体原料进口装置内的空隙体积是所述环形吸附床体积的10-25％。

9.权利要求8的容器，其中在所述产品流动通道和所述产品出口装置内的空隙体积为所述环形吸附床体积的3-10％。

10.权利要求2的容器，其中所述多孔外壁和多孔内壁的上端位于所述闭式壁装置内以容许在不同浓度条件下在其间相对移动。

11.权利要求1的容器，其中所述顶区被建成可向其内导入通常为径向延伸的可旋转管道的方式从而可实现所述环形吸附床的密实填充。

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