CN112742171B - 一种径向吸附塔及吸附工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向吸附塔。该吸附塔包括塔体、内部中心管、金属丝网卷柱、横截面板；所述中心管由塔体上部封头或下部封头的象限点伸入塔体内，并固定在塔体内下部或上部切线的横截面板上，中心管的伸入端末端管内侧装有止回阀；所述中心管上开设若干通气道，中心管外部包裹与中心管管体固定为一体的金属丝网；所述金属丝网卷柱为表面涂覆有吸附剂涂层的金属丝网卷成的圆柱体。本发明吸附塔压力降低，提高塔的容积利用率，并降低了进料波动对吸附剂床层、产品气质量和流量的影响。本发明了解决现有技术中气体气速变化影响吸附剂性能、气相夹带及吸附剂解吸不彻底的问题，具有更好的吸附效果。
Description
技术领域
本发明属于石油化工气体吸附分离技术领域，涉及一种吸附塔及吸附剂装填技术。
技术背景
变压吸附法是根据分子间的范德华力，通过升压吸附、降压脱附操作而达到将低浓度的氢气提纯目的的分离过程。由于其过程简单、操作方便，已广泛应用于氢气提纯、制氧、制氮及高价值的有机烃类回收等领域。如公开号CN 108939820 A一种真空变压吸附制氧系统及方法、CN 109053352 A变压吸附提取正庚烷联产正辛烷的方法等。
为了提高变压吸附的整体效率，关键在于提高单位体积吸附剂床层吸附剂剂的吸收容量。技术发展的方向主要集中在减小吸附剂颗粒粒径而增大吸附剂比表面积与吸附剂充分解吸等方面。但如中国专利公开号CN108619858A一种适用于提升PSA装置连续运转周期的方法和装置在背景技术中提到的，小颗粒吸附剂容易造成气相夹带，影响了装置长周期运行。
另外，现有变压吸附过程主要采用轴向结构的吸附塔，进料气体从下而上进入吸附塔穿过吸附剂床层。相对容易被吸附的组分优先被吸附下来，气体流动方向上该组分的浓度逐渐降低。在通过整个吸附剂床层过程中，气体的流量、流速逐渐减小。且由于吸附剂床层压降，吸附压力亦逐步下降，从而降低了吸附剂吸附性能的利用率。径向结构的吸附塔通常使用一种或两种吸附剂，主要应用于两组分的分离过程，如制氧、制氮、有机废气处理等场合。在这一过程中气体相对均匀地穿过吸附剂床层，解决了轴向吸附塔存在的不同吸附剂床层气体流速、流量及组分分压不均匀的问题，且克服了床层吸附剂负荷。但对于多组分的气体提纯，需要多种吸附剂的场合却无法采用径向结构的吸附塔。且无论是轴向还是径向结构的吸附塔，吸附剂都是散堆在塔内。造成吸附剂颗粒所处的吸附环境大不相同，限制了吸附剂性能的发挥。
发明内容
针对现有变压吸附吸附塔存在的技术弊端，本发明提供了一种吸附塔及吸附剂装填技术，以解决现有技术中气体气速变化影响吸附剂性能、气相夹带及吸附剂解吸不彻底的问题。
本发明第一方面提供了一种径向吸附塔，具体技术方案如下：
一种径向吸附塔，所述吸附塔包括塔体、内部中心管、金属丝网卷柱、进料口、出料口、出口收集器、横截面板、上封头、下封头；所述中心管由塔体上部封头或下部封头的象限点伸入塔体内，并固定在塔体内下部或上部切线的横截面板上，中心管的伸入端末端管内侧装有止回阀；所述进料口与中心管开口端通过管道连接；所述出口收集器固定在出料口；所述内部中心管为一端装有止回阀、一端开口的管道，中心管上开设若干通气道，中心管外部包裹与中心管管体固定（如焊接）为一体的金属丝网；所述金属丝网卷柱为表面涂覆有吸附剂涂层的金属丝网卷成的圆柱体，金属丝网与电源接通；所述横截面板表面全覆盖绝缘密封层，构成金属丝网卷柱的底板和盖板。
本发明的吸附塔中，所述中心管由塔体上部封头或下部封头的象限点伸入塔体内，中心管的伸入端末端管内装有止回阀，并固定在塔体内下部或上部切线的横截面板上。
所述横截面板通过支撑件固定在塔体上，横截面板与支撑件之间为可拆卸连接。上部横截面板与下部横截面板通过若干（优选对称的）肋板连接，优选采用可拆卸连接。
进一步的，所述塔体为筒状结构，上封头、下封头通过法兰连接方式与塔体连接。
所述的中心管上开设的若干通气道可以是圆孔、条形孔、棱形孔等结构的气流通道。通气道的大小、数量、排布方式、及沿进料方向的疏密度通过CFD模拟获得，保证沿进料方向吸附剂床层气流的均一。
所述的出口收集器为圆柱形结构，其由外筒、内筒、旋流叶片、底部积垢箱组成。外筒为圆柱形罩体，罩体上底面与内筒外壁连接，下底面为敞口。罩体上部开孔、下部实体，开孔部分高度为旋流叶片自上而下高度1/3~1/2。开孔结构为圆形、条形、菱形。开孔总流通面积应大于气相进料量所需最小流通面积。内筒为一内径与出口管内径相同的中心筒。中心筒上端突出出口收集器上底面一定高度，突出高度大小为吸附塔上封头上出口收集器中心筒与外侧面的维度差。下端超出旋流叶片一定尺寸。安装时中心筒插入收集器出料口。旋流叶片为焊接在内筒侧面，与内筒侧面切向连接，对称分布在内筒侧面的曲面三角形或扇形结构。旋流叶片的数量为4~24片，优选8~16片。叶片具有气体导流作用，将气相导入出口收集器内筒下方。底部积垢箱是一个圆饼形结构，圆饼积垢箱外侧即是收集器外筒最下端，积垢箱上底面为与外筒内径一致的平板，下底面敞口，收集器坐落在吸附塔上横截面板上，并在接触处密封。上底面在内筒和外筒环形部分设置一定数量的进灰口，进灰口为倒锥形。倒锥形结构进灰口锥底和锥顶开口大小通过CFD模拟得出。上底面中心点处设置有止回出气阀，控制气流只能从积垢箱内往中心管内排出。
所述横截面板构成金属丝网上下底板和盖板，表面全覆盖绝缘密封层，一方面可以阻止气体从金属丝网和横截面板接触点通过；另一方面保证金属丝网涂层与其他吸附塔结构相通导电。金属丝网选用发热性能较好的材料，金属丝网通过导线与电源连接。
所述下横截面板为直径与吸附塔内件一致、带中心孔的面板，固定在吸收塔内壁上，并与塔内壁密封。吸附塔内部中心管从下横截面板中心孔穿过下横截面板。中心孔与内部中心管间密封。
所述上横截面板为直径小于吸附塔内径、带中心孔的面板，面板直径与金属丝网卷层直径相当，上横截面板正好盖住金属丝网卷柱。上横截面板外缘带有中心对称分布的若干个伸出爪固定件，固定件数量为2~12个，优选4~8个。固定件与吸附塔体可拆卸连接。内部中心管末端穿过上横截面板中心孔，出口端与上横截面板齐平，并密封。若干肋板上下连接横截面板，并将吸附剂涂层金属丝网卷柱固定在两横截面板间。使金属丝网卷柱和吸附塔间形成一定宽度的环形空间。环形空间的体积通量应等于或略大于进料体积。保证未吸附的气体从环形空间通过上横截面板与吸附塔间的缝隙。
所述的金属丝网卷柱为上面涂覆一定厚度的吸附剂的金属丝网以中心管外径为内径卷成的圆柱体。
本发明第二方面提供了一种吸附工艺，其中使用了上述的径向吸附塔。所述的径向吸附塔中，金属丝网卷柱上涂覆的吸附剂采用级配方案：沿吸附塔的径向，在不同的厚度上依次、分别装填i种不同的吸附剂，其中i为大于等于2的整数。
进一步的，所述的级配方式如下：
原料气中含有n种待吸附组分，将金属丝网卷层由里往外分为n个吸附区；其中，
金属丝网卷层的最里面为第一吸附区，涂覆吸附剂A1，吸附剂A1用于吸附优先容易被吸附组分；
紧挨第一吸附区的外部为第二吸附区，涂覆吸附剂A2，吸附剂A2用于吸附次级容易被吸附组分；
……；
以此类推，紧挨第n-1吸附区的外部为第n吸附区，涂覆吸附剂An，吸附剂An用于吸附第n-1容易被吸附组分。
进一步的，n为自然数，取2-5中的任一数值。
进一步的，每个吸附区均包括m层金属丝网卷层，m为自然数，优选取1-20中的任一数值。各吸附区中，吸附剂涂层在金属丝网上的涂覆厚度为0.5mm~10mm。
通过调节吸附剂涂覆层的厚度、吸附区的卷层层数来实现在吸附塔径向方向上同一径向经度都是同样的一种吸附剂，保证了进料气体在塔内径向吸附均匀。
所述的吸附剂为颗粒状，粒径为0.05mm~2mm，优选为0.1mm~1mm。吸附剂涂层的涂覆技术采用本领域内的常规技术手段，如可以采用烧结、电镀、化学镀、浆液涂覆等方法。
本发明的径向吸附塔的有益效果包括：
1.使吸附剂颗粒更均匀地布置，有利于发挥吸附剂的性能，提高吸附剂吸附容量。
2.吸附剂装填密度等大，同样的容积内可以装填更多的吸附剂。
3.大幅降低现有技术中气体走短路的现象，气体分离或净化效率更高。
4.避免了现有技术中气体向上升起过程中克服吸附剂重力而产生的压力降，一方面保证了吸附末端的吸附压力；另一方面可以降低整体吸附压力，降低能耗。
5.气相穿过吸附剂涂层的时气相分子与吸附剂的接触面积大，避免了气量突变造成穿过吸附剂床层气体浓度变化，保证了更好的吸附效果。
6.通过出口收集器，收集出塔气体，改变气体流动线路，并设置专门的积垢箱，脱除气体夹带粉尘。在吸附剂再生时利用压力止回阀控制粉尘排出系统，保证了产品质量及吸附塔的长周期运行。
7.避免了现有技术中吸附剂装填（通常是布袋装填）过程中造成的吸附剂破损、装填密度不一致等问题所带来的气体在塔内穿过吸附剂床层时气相分布不匀及不同塔内装填量不一致，进而影响产品气体流量和质量波动。
8.利用高温再生的原理，通过电加热升温使得吸附剂再生更彻底，减少了现有技术中为保证再生效果而使用产品气体冲洗而带来的回收率损失现象。
9.本发明吸附塔压力降低，利用塔内构件，提高塔的容积利用率，并降低了进料波动对吸附剂床层、产品气质量和流量的影响；本发明吸附剂装填技术工艺简单、吸附剂利用率高。
附图说明
图1为本发明一种吸附塔结构示意图。
图2为本发明吸附塔出口收集器结构示意图。
其中：1为内部中心管，2为下横截面板，3为吸附剂涂层，4为吸附塔塔体，5为肋板，6为绝缘密封层，7为上横截面板，8为出口收集器，9为吸附塔封头，10为吸附塔出料口，11为中心管止回阀，12为金属丝网卷柱，13为止回出气阀，14为出口收集器外筒，15为旋流叶片，16为出口收集器内筒，17为进灰口，18为进料口，19为下封头，20为中心管通气道，21为底部积垢箱。
具体实施方式
本发明的一种吸附塔及吸附剂装填技术的具体实施方式为：根据吸附处理量及工艺要求等设计条件，确定并计算出吸附剂种类和量，按照本发明吸附剂级配方法，确定吸附剂金属丝网层数和吸附剂涂覆厚度，从而确定出金属丝网卷柱的体积，作为设计吸附塔的条件。
所述吸附剂装填及吸附塔安装的具体技术方案是：
本发明提供的吸附剂装填，首先将一定粒径的吸附剂颗粒或粉末均匀地涂覆固定在金属丝网上。第i种吸附剂涂覆在丝网上的长度由该吸附剂的装填体积来确定。若该吸附剂的装填体积为Vi、吸附塔装填高度为H、中心管外径为d、涂覆厚度为h，第一种吸附剂涂覆长度Li
其中n 由该吸附剂装填体积Vi通过反推获得。
将i到j种吸附剂沿金属丝网轴向高度依次涂覆固定在金属丝网上。金属丝网边缘包裹绝缘、密封材料。以中心管外径尺寸大小为中心轴，从第i种吸附剂涂覆侧开始将金属丝网卷成有纵向轴的柱体。并通过肋板固定金属丝网卷层。
然后，将金属丝网卷层柱体从中心轴套入塔体内部中心管，坐落于吸附塔下横截面板，再盖上上横截面板，固定上横截面板固定件在塔体上。将金属丝网柱体固定在塔体内。
将出口气体收集器以横截面板中心为轴固定在上横截面板上，盖上吸附塔封头，使气体收集器出口与塔出料口连接。
以下结合附图，对本发明的吸附塔作更详细的描述。
如图1-2所示，本发明的吸附塔包括吸附塔塔体4、内部的中心管1、金属丝网卷柱12、进料口18、出料口10、出口收集器8、下横截面板2，上横截面板7、上封头9、下封头19。所述中心管1由塔体上部封头9或下部封头19的象限点伸入塔体内，并固定在塔体内下横截面板2或上横截面板7上，中心管1的伸入端末端管内侧装有中心管止回阀11；所述进料口18与中心管开口端通过管道连接；所述出口收集器8固定在出料口位置；所述内部中心管为一端装有止回阀11、一端开口的管道。中心管上开设若干通气孔道20，中心管外部包裹与中心管管体固定（如焊接）为一体的金属丝网卷柱；所述金属丝网卷柱为表面涂覆有吸附剂涂层的金属丝网卷成的圆柱体，金属丝网与电源接通；所述下、上横截面板表面全覆盖绝缘密封层6，构成金属丝网卷柱的底板和盖板。
如图2所示，其中收集器为圆柱形结构，其由出口收集器外筒14、出口收集器内筒16、旋流叶片15、底部积垢箱21组成。外筒为圆柱形罩体，罩体上底面与内筒外壁连接，下底面为敞口。罩体上部（上侧体部分）开孔、下部实体，开孔部分高度为旋流叶片自上而下高度的1/3~1/2。开孔结构为圆形、条形或菱形。开孔总流通面积应大于气相进料量所需最小流通面积。内筒为一内径与出口管内径相同的中心筒。中心筒上端突出出口收集器上底面一定高度，突出高度大小为吸附塔上封头上出口收集器中心筒与外侧面的维度差。下端超出旋流叶片一定尺寸。安装时中心筒插入收集器出料口。旋流叶片为焊接在内筒侧面，与内筒侧面切向连接，对称分布在内筒侧面的曲面三角形或扇形结构。旋流叶片的数量为4~24片，优选8~16片。叶片具有气体导流作用，将气相导入出口收集器内筒下方。底部积垢箱是一个圆饼形结构，圆饼积垢箱外侧即是收集器外筒最下端，积垢箱上底面为与外筒内径一致的平板，下底面敞口，收集器坐落在吸附塔上横截面板上，并在接触处密封。上底面在内筒和外筒环形部分设置一定数量的进灰口17，进灰口为倒锥形。倒锥形结构进灰口锥底和锥顶开口大小可以通过CFD模拟得出。上底面中心点处设置有止回出气阀13，控制气流只能从积垢箱内往中心管内排出。
本发明的径向吸附塔的吸附循环过程工艺为：进料气体从吸附塔内部中心管1进入，然后沿塔径向从中心向外依次通过金属丝网卷,12上的吸附剂涂层3，气体中要求被吸附分离的组分依次被吸附，未被吸附的组分穿过金属丝网卷柱12，从金属丝网卷柱12和塔体4间的环形空间上升，通过上横截面板7与塔体4间的环形通道进入塔封头9。然后气体从出口收集器8外筒14的进气孔道进入出口收集器8。气流在出口收集器8旋流叶片15的导流下，改变流向，绕过出口收集器8内筒16的筒壁进入内筒，并通过内筒16从塔出料口10出去。在此过程中，当气体进入出口收集器8经旋流叶片15导流后，气体夹带的粉尘由于气体方向和速度的变化沉降下来，由于在内筒内外存在一定的压力差，粉尘由出口收集器8的进灰口17进入底部积垢箱21，气流从止回出气阀13处排出。
当按照一定的吸附周期吸附过程完成后，该吸附塔按照程序进行顺放、逆放操作，然后从内部中心管1进行抽真空，将金属丝网卷柱12上吸附剂涂层3吸附的组分在真空状态下解析出来从内部中心管2排出。同时，在适当的压力下，中心管尾部中心管止回阀11开启，出口收集器8的底部积垢箱21内的粉尘从中心管2随解析出来的组分一起排出。待抽真空程序完成后，该吸附塔进入下一部环节，准备下一次吸附周期。
实施例1
本实施例1是催化重整副产氢提纯过程。重整氢流量为87347Nm3/h，重整氢组成如表1所示。
表1 重整氢组成
本实施例吸附塔采用本发明的吸附塔塔及吸附剂装填技术。该吸附过程需要吸附剂a、b、c、d四种专有吸附剂。按具体实施方式将这四种吸附剂依次按装填体积制成金属丝网卷柱，四种吸附剂的装填体积比为25:30:30:15。吸附塔操作条件如表2所示。
表2 吸附塔操作条件
重整副产氢由中心管进入吸附塔，进料气体中的小分子烃类被吸附，吸附过程如具体实施方式所述。经本工艺吸附后，吸附塔出口气体组成如表3所示。出口流量为71919Nm3/h。
表3 吸附塔出口气体组成
重整氢经吸附工艺后，解吸气组成如表4所示。
表4解吸气组成
氢气浓度提纯至98.57%，氢气回收率为88.36%。
Claims (19)
1.一种径向吸附塔，其特征在于，所述吸附塔包括塔体、内部中心管、金属丝网卷柱、进料口、出料口、出口收集器、上横截面板、下横截面板、上封头、下封头；所述内部中心管由塔体下封头伸入塔体内，并固定在塔体内的上横截面板上，内部中心管的伸入端末端管内侧装有止回阀；所述进料口与内部中心管开口端通过管道连接；所述出口收集器固定在出料口；所述内部中心管为一端装有止回阀、一端开口的管道，内部中心管上开设若干通气孔道，内部中心管外部包裹与内部中心管管体固定为一体的金属丝网卷柱；所述金属丝网卷柱为表面涂覆有吸附剂涂层的多层金属丝网卷成的圆柱体，金属丝网与电源接通；所述上、下横截面板表面全覆盖绝缘密封层，构成金属丝网卷柱的底板和盖板；
所述的出口收集器为圆柱形结构，其由外筒、内筒、旋流叶片、底部积垢箱组成；外筒为圆柱形罩体，罩体上底面与内筒外壁连接，下底面为敞口；罩体上部开孔、下部实体；所述内筒为一内径与出口管内径相同的中心筒；
所述的底部积垢箱是一个圆饼形结构，圆饼形底部积垢箱外侧即是出口收集器外筒最下端，底部积垢箱上底面为与外筒内径一致的平板，下底面敞口，出口收集器坐落在吸附塔上横截面板上，并在接触处密封；上底面在内筒和外筒之间的环形部分设置一定数量的进灰口；所述上底面中心点处设置有止回出气阀；所述的旋流叶片焊接在内筒外侧面，与内筒外侧面切向连接。
2.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述上、下横截面板通过支撑件固定在塔体上，上、下横截面板与支撑件之间为可拆卸连接。
3.根据权利要求1或2所述的径向吸附塔，其特征在于，上横截面板与下横截面板通过若干肋板连接。
4.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述塔体为筒状结构，上封头、下封头通过法兰与塔体连接。
5.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述下横截面板为直径与吸附塔内径一致、带中心孔的面板，固定在吸收塔内壁上，并与塔内壁密封。
6.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述内部中心管从下横截面板中心孔穿过下横截面板，中心孔与内部中心管间密封。
7.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述上横截面板为直径小于吸附塔内径、带中心孔的面板，面板直径与金属丝网卷层直径相当，上横截面板正好盖住金属丝网卷柱。
8.根据权利要求7所述的径向吸附塔，其特征在于，所述上横截面板外缘带有中心对称分布的若干个伸出爪固定件，固定件与吸附塔体为可拆卸连接。
9.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述内部中心管末端穿过上横截面板中心孔，出口端与上横截面板齐平，并密封。
10.根据权利要求1述的径向吸附塔，其特征在于，所述开孔的总流通面积大于气相进料量所需最小流通面积。
11.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述中心筒上端突出罩体上底面一定高度，突出高度大小为吸附塔上封头上出口收集器中心筒与外侧面的距离。
12.根据权利要求1所述的径向吸附塔，其特征在于，所述的旋流叶片为对称分布在内筒外侧面的曲面三角形或扇形结构。
13.一种气体吸附方法，其特征在于，使用了权利要求1-12任一所述的径向吸附塔。
14.根据权利要求13所述的气体吸附方法，其特征在于，吸附剂采用级配方案，沿吸附塔的径向，在不同的厚度上依次、分别装填i种不同的吸附剂，其中i为大于等于2的整数。
15.根据权利要求14所述的气体吸附方法，其特征在于，原料气中含有n种待吸附组分，将金属丝网卷层由里往外分为n个吸附区；其中，
金属丝网卷层的最里面为第一吸附区，涂覆吸附剂A1，吸附剂A1用于吸附优先容易被吸附组分；
紧挨第一吸附区的外部为第二吸附区，涂覆吸附剂A2，吸附剂A2用于吸附次级容易被吸附组分；
以此类推，紧挨第n-1吸附区的外部为第n吸附区，涂覆吸附剂An，吸附剂An用于吸附第n级容易被吸附组分。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，n为自然数。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，n为2-5中的任一数值。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，每个吸附区均包括m层金属丝网卷层，m为自然数。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，m为1-20中的任一数值。
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