CN111727081B - 包括可移除的填充系统的用于净化或分离气流的吸附器 - Google Patents

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Abstract

一种用于净化或分离气流的吸附器，包括：圆柱形壳体(R)；下半球形端(F1)；上半球形端(F2)，该上半球形端包括用于填充有颗粒材料的主孔，其中所述孔具有内径Din；颗粒大小为ADN的颗粒材料；颗粒大小为M的颗粒材料；以及填充系统(A)，该填充系统可从由放置在该主填充孔中的颗粒材料制成的外壳中移除，其特征在于：该填充系统(A)由圆柱体组成，该圆柱体穿孔贯穿其全部或部分高度、其直径为Dext的上端以及其下端，距离Din‑Dext严格大于颗粒大小为M的材料的颗粒大小的两倍，该颗粒大小为ADN的颗粒材料和该颗粒大小为M的颗粒材料在该气流的循环方向上相互跟随并使得M>ADN，并且该颗粒大小为M的材料与该系统(A)的外表面的至少一部分和该上半球形端(F2)的内表面的至少一部分都接触。

Description

包括可移除的填充系统的用于净化或分离气流的吸附器
本发明涉及一种用于净化或分离气流的吸附器以及一种用于使用吸附材料填充此吸附器的方法。
O2 VSA(真空变压吸附)单元是用于通过变压吸附工艺从空气中分离气体的单元，在该工艺中，基本上在被称为高压的大气压力(即1bar到1.5bar之间)下进行吸附，并且在低于大气压力的压力(典型地在0.3bar到0.5bar之间)下进行解吸。气态氧的生产实现了约90％至93％的纯度，并且这种类型的设备的生产范围从30t/d至200t/d不等。这些工艺应用于比如水净化、玻璃制造、纸浆处理等领域。
压缩机和真空泵通常用于实现循环压力。
注意，虽然本发明首先应用于VSA工艺，但本发明也可以应用于所有PSA工艺(变压吸附气体分离工艺)：
-VPSA工艺，在该工艺中，在基本上大于大气压力的高压(即通常在1.6bara到8bara之间、优选地在2bara到6bara之间)下进行吸附，并且低压低于大气压力，典型地在30mbara到800mbara之间、优选地在100mbara到600mbara之间。
-PSA工艺，在该工艺中，在显著大于大气压力的高压(典型地在1.6bara到50bara之间、优选地在2bara到35bara之间)下进行吸附，并且低压大于或基本上等于大气压力，即在1bara到9bara之间、优选地在1.2bara到2.5bara之间。
在下文中，将使用术语(V)PSA，该术语将会包括VSA工艺、PSA工艺以及VPSA工艺。
(V)PSA循环至少包括以下步骤：生产、减压、吹扫、再压缩。
这些单元通常以大于30秒的总循环时间操作并且采用一至三个吸附器。
将在由气体的流动方向区分的两大系列吸附器之间进行区分，一种是轴向的、并且另一种是径向的。虽然针对小型单元(每天生产小于60吨的O2)通常选择第一种，但第二种适用于容量较大的单元。轴向技术需要遵守许多技术约束条件，包括使压降和空体积最小化、对良好的气体分布进行管理、保持可能被工艺气体夹带的吸附剂、或者使吸附器在其从车间运到生产现场的时候移动。
当需要对非常高的流量进行处理时，压降和磨损问题成为轴向技术的限制。一种解决方案是改变为径向几何形状，相比之下，这样针对给定的吸附器半径提供了减小的压降。此外，径向吸附器在理论上不受与磨损现象有关的任何限制。吸附床保持在垂直的多孔格栅之间。这种径向技术的主要缺点是死体积增加、由于同心格栅的安装复杂性而引起的吸附层数的限制、难以确保良好的气体分配、以及制造成本高。
在流量适中的情况下，应根据其简单性以及其成本来选择轴向几何形状。吸附工艺可以迫使气体从底部到顶部循环，从而使(多种)颗粒材料受到流态化限制。
活性颗粒材料的流态化可能是通过该工艺的正常操作所固有的或在意外峰值流量期间的过大气流引起的。
在这种背景下，出现的问题是提供一种改进的轴向几何形状的吸附器，其表现出更好地保持(多种)颗粒吸附剂。
根据本发明的解决方案是一种用于纯化或分离气流的吸附器，包括：
-圆柱形壳体R，
-半球形底端F1，
-半球形顶端F2，该半球形顶端包括用于颗粒材料的主填充孔，其中所述孔具有内径Din；
-粒度为ADN的颗粒材料，
-粒度为M的颗粒材料，以及
-颗粒材料填充系统A，该颗粒材料填充系统可以从该壳体上移除并且定位在该主填充孔中，
其特征在于：
-该填充系统A由圆柱体组成，该圆柱体穿孔贯穿其全部或部分高度、其直径为Dext的顶端以及其底端，
-距离Din-Dext严格大于该粒度为M的材料的颗粒大小的两倍，
-该粒度为ADN的颗粒材料和该粒度为M的颗粒材料在该气流的循环方向上相互跟随，并且使得M>ADN，
-该粒度为M的材料与该系统A的外表面的至少一部分和该半球形顶端F2的内表面的至少一部分都接触。
根据本发明的吸附器的构造使得可以：
-保持吸附床，
-确保更好的气体分配，并且
-确保更好地填充吸附剂。
视情况而定，根据本发明的吸附器可以表现出以下特征中的一个或多个：
-该粒度为M的材料与该圆柱壳内部包含的该系统A的所有外表面接触。
-该粒度为M的材料与该半球形顶端F2的内表面的至少10％、优选地至少20％、甚至更优选地至少30％接触。
-该半球形顶端F2包括至少两个直径小于该主孔的二级填充孔。
-这些二级孔的直径是该主孔的直径的二分之一至六分之一。
-该粒度为M的材料补充有粒度为MC(小于或等于M)的补充材料，优选地粒度为MC(是粒度为M的三分之一)的补充材料。具体地，问题是要避免材料MC到材料M中的缝隙的任何流动。
-所述吸附器在该气流的循环方向上连续地包括N层(N≥1)：第一层粒度为AD1的粒度材料、第Nth-1层粒度为ADN的颗粒材料、以及第Nth层粒度为M的颗粒材料，其中M>AD2>AD1。
-第一层粒度为AD1的颗粒材料由覆有网眼织物的刚性金属格栅支撑。
-第一层粒度为AD1的颗粒材料由粒度为大于AD1的MGS的颗粒材料支撑。
-通过柔性织物或覆有柔性织物的刚性格栅使该粒度为ADN的颗粒材料与该粒度为M的颗粒材料分离。
-该粒度为ADN的颗粒材料直接搁置在该粒度为M的颗粒材料上。不用说，在此情况下，粒度为M的颗粒材料将会被选择为不允许粒度为ADN的材料流入其中。
所讨论的吸附器R具有竖直的轴向几何形状并具有两个端部，至少其顶端是半球形的。
该吸附器还有两个气体循环孔，一个在底端处，第二个在半圆形顶端处。后者也是用于颗粒材料的主填充孔，并且允许对系统(A)进行安装。
将借助于图1至图3更详细地描述本发明。
图1示出了根据本发明的吸附器的示例。
气体分配器可以安装在底部部分中。在壳体R中包含至少一层活性颗粒材料，在此假定为两层。第一层吸附材料AD1可以由覆有网眼织物的刚性金属格栅支撑，该网眼织物具有足够细的网眼以保持吸附材料，或者由粒度为MGS(大于吸附材料的粒度)的材料支撑，从而使得可能在填充一部分空体积时限制可能对工艺性能有害的压降。
最后一层粒度为ADN的活性材料的顶部的体积填充有至少一种类型的粒度为M(大于ADN)的颗粒材料。柔性织物S(优选地是金属织物)或覆有柔性织物的刚性格栅将这些粒度为ADN和M的材料分离。
粒度为M的材料与半圆形顶端和系统A的大部分接触，使得在吸附器的流量或运动过大的情况下使作用在活性颗粒材料上的力经由粒度为M的材料传输到壳体R的壁和系统A。
必须确保粒度为M的材料、壳体R的上壁与系统A之间的最大接触面积。
为此目的，
-顶端体积首先以紧凑的方式填充有粒度为M的材料，而在中心处留出空间以用于插入系统A。以紧凑的方式填充应理解为雨型(Rain type)填充。具体地，取决于填充方法，粒度为M的材料的颗粒之间的空体积可能会由于构成其的颗粒或多或少的紧密堆积而有很大变化，因此雨型填充被认为是紧凑的，而在没有特别注意的情况下倒入材料的“松散”填充则被认为不太紧凑的。最初通过任何方法填充的且其容器受到标准化冲击的颗粒介质将会具有上述两种压实度(“雨型”和“松散型”压实度)之间的中等压实度。在安装之后，系统A的一端然后将会经由其底部D而与粒度为M的材料接触。
-系统A的外径被选择为尺寸小于位于半球形端F2中的出口孔的内径，使得可以将粒度为M的材料的球(其可能是非球形状的材料)引入到由此产生的环形空间中。
-附加填充孔OS(图4)，直径小于主孔的直径，使得可以使用等于或小于粒度为M的材料的粒度为MC的颗粒材料来填充半球形端。
为了确保随着时间的推移维持粒度为M的材料与壳体R和系统A之间的接触区域，需要对这些颗粒材料进行紧凑填充。如果不是此情况，则在吸附器已经运动或振动后，将需要通过在系统(A)与主填充孔之间的环形空间和/或通过这些孔(OS)来补充粒度为M的材料。多种不同的填充系统使得可以实现最佳的填充紧凑性。例如，对于球形或准球形的颗粒材料，可以通过交叉筛网系统来获得35％的活性材料的颗粒外空隙率。虽然在安装系统之前填充粒度为M的材料并且可以在紧凑方式下(即通过雨型流动)进行下层AD1至ADN的填充，但是对于经由包含在系统A的外径与填充孔的内径之间的空间而使用粒度为M的颗粒材料来填充壳体R、以及通过二级填充孔而使用粒度为MC的补充材料来填充壳体R而言是不可能的。具体地，没有足够的空间将允许雨型流动的工具引入到这些孔中。在容器振动的情况下，则可以观察到颗粒材料的消除压实的现象，并且可以导致与粒度为M的材料接触的期望面积增加。
图2和图3通过提供正面图和俯视图来展示系统A。
系统A设有固定接片，这些固定接片可以搁置在与主填充孔成一体的凸耳上。
本发明的另一主题是一种用于使用吸附材料填充根据本发明的吸附器的方法，包括以下连续步骤：
a)通过主填充孔使用粒度为AD2的颗粒材料来部分地填充壳体R；
b)通过主填充孔使用粒度为M的颗粒材料来部分地填充壳体R，留出一定体积以允许安装填充系统A；
c)将填充系统A安装在填充孔中，以便使填充系统的底端与粒度为M的材料接触；
d)通过系统A的外径与填充孔的内径之间的空间使用粒度为M的粒状材料来填充壳体R。
注意，在步骤b)中，由于粒度为M的颗粒材料在静止角下流动，因此允许安装填充系统A的体积可能不是圆柱体。
优选地，半球形顶端F2包括直径小于主孔的至少两个二级填充口，并且所述方法包括步骤e)：通过这些二级填充口OS使用粒度为MC的补充材料来填充壳体R。

Claims (24)

1.一种用于净化或分离气流的吸附器，包括：
- 圆柱形壳体（R），
- 半球形底端（F1），
- 半球形顶端（F2），该半球形顶端包括用于颗粒材料的主填充孔，其中所述孔具有内径Din；
- 粒度为ADN的颗粒材料，
- 粒度为M的颗粒材料，以及
- 颗粒材料填充系统（A），该颗粒材料填充系统能够从该壳体上移除并且定位在该主填充孔中，
其特征在于：
- 该填充系统（A）由圆柱体组成，该圆柱体穿孔贯穿其全部或部分高度、其顶端及其底端，该圆柱体的顶端的直径为Dext，
- 距离Din-Dext严格大于该粒度为M的颗粒材料的颗粒大小的两倍，
- 该粒度为ADN的颗粒材料和该粒度为M的颗粒材料在该气流的循环方向上相互跟随，并且使得M > ADN，
- 该粒度为M的颗粒材料与该系统（A）的外表面的至少一部分和该半球形顶端（F2）的内表面的至少一部分都接触。
2.如权利要求1所述的吸附器，其特征在于，该粒度为M的颗粒材料与该圆柱形壳体内部包含的该系统（A）的所有外表面接触。
3.如权利要求1所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少10%接触。
4.如权利要求3所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少20%接触。
5.如权利要求4所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少30%接触。
6.如权利要求2所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少10%接触。
7.如权利要求6所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少20%接触。
8.如权利要求7所述的吸附器，其特征在于,该粒度为M的颗粒材料与该半球形顶端（F2）的内表面的至少30%接触。
9.如权利要求1至8之一所述的吸附器，其特征在于，该半球形顶端（F2）包括至少两个直径小于该主填充孔的二级填充孔。
10.如权利要求9所述的吸附器，其特征在于，这些二级填充孔的直径是该主填充孔的直径的二分之一至六分之一。
11.如权利要求1至8之一所述的吸附器，其特征在于，该粒度为M的颗粒材料补充有具有粒度为小于或等于M的MC的补充材料。
12.如权利要求9所述的吸附器，其特征在于，该粒度为M的颗粒材料补充有具有粒度为小于或等于M的MC的补充材料。
13.如权利要求10所述的吸附器，其特征在于，该粒度为M的颗粒材料补充有具有粒度为小于或等于M的MC的补充材料。
14.如权利要求1至8之一所述的吸附器，其特征在于，所述吸附器在该气流的循环方向上连续地包括N层（N ≥ 1）：
- 连续N层粒度从AD1增加到ADN的颗粒材料；以及
- 一层粒度为M的颗粒材料。
15.如权利要求9所述的吸附器，其特征在于，所述吸附器在该气流的循环方向上连续地包括N层（N ≥ 1）：
- 连续N层粒度从AD1增加到ADN的颗粒材料；以及
- 一层粒度为M的颗粒材料。
16.如权利要求11所述的吸附器，其特征在于，所述吸附器在该气流的循环方向上连续地包括N层（N ≥ 1）：
- 连续N层粒度从AD1增加到ADN的颗粒材料；以及
- 一层粒度为M的颗粒材料。
17.如权利要求13所述的吸附器，其特征在于，所述吸附器在该气流的循环方向上连续地包括N层（N ≥ 1）：
- 连续N层粒度从AD1增加到ADN的颗粒材料；以及
- 一层粒度为M的颗粒材料。
18.如权利要求14所述的吸附器，其特征在于，第一层粒度为AD1的颗粒材料由覆有网眼织物的刚性金属格栅支撑。
19.如权利要求14所述的吸附器，其特征在于，第一层粒度为AD1的颗粒材料由粒度为大于AD1的MGS的颗粒材料支撑。
20.如权利要求14所述的吸附器，其特征在于，通过柔性织物或覆有柔性织物的刚性格栅使该粒度为ADN的颗粒材料与该粒度为M的颗粒材料分离。
21.如权利要求18所述的吸附器，其特征在于，通过柔性织物或覆有柔性织物的刚性格栅使该粒度为ADN的颗粒材料与该粒度为M的颗粒材料分离。
22.如权利要求19所述的吸附器，其特征在于，通过柔性织物或覆有柔性织物的刚性格栅使该粒度为ADN的颗粒材料与该粒度为M的颗粒材料分离。
23.一种用于使用吸附材料填充如权利要求1至22之一所述的吸附器的方法，包括：以下连续的步骤：
a) 通过该主填充孔使用粒度为ADN的颗粒材料来部分地填充该壳体（R）；
b) 通过该主填充孔使用粒度为M的颗粒材料来部分地填充该壳体（R），留出一定体积以允许安装该填充系统（A）；
c) 将该填充系统（A）安装在该填充孔中，以便使该填充系统的底端与该粒度为M的颗粒材料接触；以及
d) 通过该填充系统（A）的外径与该填充孔的内径之间的空间使用粒度为M的颗粒材料来填充该壳体（R）。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该半球形顶端（F2）包括直径小于主填充孔的至少两个二级填充孔，并且所述方法包括步骤e）：通过这些二级填充孔OS使用粒度为MC的补充材料来填充该壳体（R）。
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