CN113365717A - 用于净化高流量气流的方法和设施 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过吸附来净化高流量气流的方法和设施,净化设施包括具有水平布置的平行六面体外壳的至少一个吸收器并且包括:‑气流入口和出口,‑两个固定床层吸附剂块,这两个固定床层吸附剂块各自具有同样的平行六面体形状,这两个固定床层吸附剂块的表面平行于该外壳的表面,以及‑一组体积,其允许气流在并行但相反的方向上横穿这两个吸附剂块,该横穿在这些吸附剂块中的每一者的整个截面上以及其整个厚度上水平地发生。
Description
本发明涉及一种用于高流量气流(即从数千到数万Nm3/h)的低压净化的方法以及装置。更具体地说,本发明涉及通过保护床层净化气体,或者通过TSA循环或甚至在一些情况下通过准等压PSA循环来分离/净化气体流体。
在所有这些情况下,实施吸附现象,不管此现象是可逆的(物理吸附)还是不可逆的(化学吸附)。
一般来说,可以使用气相吸附方法以通过利用一或多种吸附剂对含有一种或多种分子的气体混合物的不同组成分子的亲和力差异,来将所述分子从该混合物中分离。吸附剂对分子的亲和力一方面取决于吸附剂的结构和成分,而另一方面取决于分子的性质,特别是其大小、其电子结构以及其多极矩。吸附剂可以是例如沸石、活性炭、任选掺杂的活性氧化铝、硅胶、碳分子筛、有机金属结构、碱或碱土金属氧化物或氢氧化物,或优选含有能够与分子反应的物质的多孔结构,例如,比如胺、物理性溶剂、金属络合剂、金属氧化物或氢氧化物。
较常规的吸附剂材料是呈颗粒的形式(珠子、棒条、粉碎材料等),但它们也可以呈结构化形式,比如整料、轮子、平行通道接触器、织物、纤维等。
吸附方法主要有3类:牺牲载荷法、TSA(变温吸附)法,以及最后PSA(变压吸附)法。
在牺牲载荷法中,在这种情况下通常使用术语“保护床层”,当正在使用的载荷充满杂质时,或更一般地说,当载荷无法再充分发挥其保护作用时,引入新的载荷。不同于再生法(TSA、PSA),载荷的材料可能不可逆转地附着杂质。
在TSA型方法中,吸附剂在使用结束时就地再生,即排出所捕获的杂质,使得所述吸附剂恢复其大部分吸附能力,并且可以重新开始净化循环,其中主要再生效果是由于温度的升高。
最后,在PSA型方法中,在生产阶段结束时,吸附剂通过杂质的解吸来再生,杂质的解吸是借助于其局部压力的降低来实现。此压力降低可以通过总压力的降低和/或通过用不含或含少量杂质的气体进行冲洗来实现。此处在PSA领域中仅对后一种情况感兴趣。更具体地说,PSA于是涉及将流体的组分转移到另一等同或甚至更大的流中。此举可以涉及例如回收转移到方法气体中的废气中所含有的具有高经济价值的产物。吸附和再生压力于是可以是接近的。
要净化的流体只是穿过保护床层。为了最好地使用活性材料,通常将所述材料收纳在串联操作的两个吸附器中,其中第二吸附器含有前区,而第一吸附器几乎饱和。在杂质渗入之前,第一吸附器的载荷将已经由新载荷代替,并且一组阀门将使吸附器中的载荷的循环次序反转。因此,最好地使用了活性材料。
按照惯例,TSA法循环包括以下步骤:
a)在超大气压力和环境温度下通过使流体循环穿过吸附剂块来净化/分离流体;
b)将吸附器减压到大气压;
b)通过循环借助于交换器加热到通常在60℃与250℃之间的范围内的温度的气体来再生吸附剂,该交换器通常为电加热器或蒸汽加热器类型;
d)在环境温度下冷却吸附剂,特别是通过继续向其中引入所述未加热再生气体来冷却吸附剂;
e)用要净化/分离的气体或通过处理过的气体来对吸附器重新加压。
可向上文所述的那些步骤添加另外的步骤,诸如将两个吸附器并行放置的步骤,其中放置持续不同的持续时间,即从几秒到若干分钟;或甚至等待没有流体循环穿过吸附剂的步骤,例如在再生步骤结束时。
通常,TSA包括两个交替操作的吸附器,即一个吸附器处于生产阶段,而另一吸附器处于再生阶段。可以根据应用来使用许多其他配置(多个吸附器、闭环或半闭环再生、不同吸附器上的串联加热和冷却等)。这些实施选择并不形成本发明特有的特征的一部分,并且下文将阐释这些特征的部分。
在压力帮助阻止杂质的情况下,至少在物理吸附的情况下,净化单元非常普遍地安装在先前已经压缩的气体上。例如,迄今为止,有意在低温单元中分开的空气的净化几乎只在压力下发生,但是已提出了一定数目的变体。最通常使用的低温循环是“双柱”循环,其中在单个压力下压缩空气,该单个压力对应于最近压力损失、对应于柱的操作压力、称为平均压力,即通常介于4.5巴绝对压力与6巴绝对压力之间。净化通常在此压力下进行。
实际上,在大气压力附近实施低压吸附方法引起了关于中或高压方法(>10巴绝对压力)的一定数目的问题。由于杂质的局部压力低很多并且从而吸附能力也低很多,所以要使用的吸附剂块大很多。在相同几何形状下,压力损失也大很多,并且对应的所消耗能量可能高至足以使预期方法低效。应理解,所使用的流体的流速越高,这些问题越麻烦。
因此,已提出不同的解决方案来克服这些缺点。
第一基本趋势已经是开发对流体循环具有最小抑制的吸附器。具有薄膜并具有大流量截面的吸附剂的使用是通常使用的解决方案之一,而不管吸附器的类型如何(具有竖直轴线、具有水平轴线、径向轴线等的圆柱形);然而这样的选择具有缺点。
如[图1]中示意性地示出,这样的布置导致吸附剂体积的两侧具有较大死体积。图1A、图1B分别示出具有竖直轴线和水平轴线的圆柱形吸附器。[图2]就其本身而言,示出了径向吸附器。当在薄层中使用吸附剂体积时,吸附剂体积仅表示吸附器的总内部体积的一部分,通常小于50%。当吸附器的大小增加时,此部分趋向于减小。要求这些死体积的一部分确保穿过吸附剂体积的流体的良好分布。这还尤其要求低填充容差,以便具有具相同厚度和密度(或甚至空隙率)的吸附剂层,而不管流体穿过吸附剂的路径如何,以便在净化步骤结束之前,避免将污染生产的任何旁通。
应注意,在径向床层的情况下,有可能凭借实施同心圆柱形网格来获得实际上与最接近的制造容差相同的床层厚度。然而,在具有垂直轴线或水平轴线的圆柱形吸附器的情况下,在填充之后具有非常平坦的自由表面并且确保这些表面因此保持操作是值得的。在可以超过10m2的截面上,这需要合适的程序。
如果圆柱形吸附器由于其几何形状而可以以相对高效且均质的方式填充(径向床层并非总是如此),则为此,通常需要使用专门为此目的开发的设备和/或需要提供具有可拆卸的上部的设备。
用于减少压力损失(即最终具有用于流体的大流量截面和低床层厚度)的最终方法涉及将对应于吸附器的吸附剂块分成并行操作的多个子系统。
于是出现若干可能性。吸附剂块被划分,但位于同一耐压外壳中。文献EP 2752232的[图7]和[图8]展示了此情况。圆柱形套圈在此处用作进气口的中央区的两侧含有两个相同的吸附剂床层,其中此气体的一半在净化之后朝这些床层中的每一者侧向排出。这样的布置允许流量截面大致加倍,允许床层的宽度减小,但由于几何形状,形成了分布缺陷,这些分布缺陷与低温分离之前的空气净化所要求的性能不兼容。
还可以实施多个相同模块,这些模块连接在一起,并且因此作为一个且同一个吸附器来操作。
举例来说,可以参考文献US 9358496 B2的[图5],其对应于甚至更加复杂的布置。吸附器由通过Y形管道并行连接的两个模块组成。应注意,每个模块由4个子模块组成,这些子模块本身并行安装在入口管道与出口管道之间。
这由于外壳的体积而导致对此净化的相对较高的投资,以及当要求穿过低厚度床层的流体的良好分布时,提供合适的器件。因此,已经进行了许多开发来试图降低此成本,特别是提议使用具有不同吸附器技术的大气压力净化单元。例如,可以引用空气净化领域中的文献US 2005/0217481,该文献描述了一种使用吸附剂轮(低压旋转吸附剂接触器)的可通过低压达成的技术的系统。当试图实现几乎完全阻止杂质(超高纯度)时,串联使用3个装置是值得的。
需要增加轮子数目的原因之一是由于以下事实:轮子的组成材料的吸附剂的以kg/m3为单位的载荷与常规吸附器中实现的载荷相比较低。
仍使用吸附剂轮技术,已预期将旋转系统串联放置,旨在去除一部分杂质,接着进行常规净化以去除残留杂质。接着可以引用文献US2017/0216760,该文献在应用于VPSA时,描述这种双重系统。
最后,目前没有通用的方法来在低压下净化或分离高流量气流。
本发明将接着有利地允许涵盖这种类型的净化中的至少一些净化。
本发明的一种解决方案是一种用于通过吸附来净化气流的装置,该装置包括具有水平布置的平行六面体形状的外壳的至少一个吸附器A、并且包括:
-用于该气流的入口和出口;
-两个固定床层吸附剂块,这两个固定床层吸附剂块中的每一者大致为平行六面体形,这两个固定床层吸附剂块的面平行于该外壳的面;以及
-一组体积,该组体积允许该气流在这些吸附剂块中的每一者的整个截面上且在这些吸附剂块中的每一者的整个厚度上、平行地且在相反方向上水平穿过这两个吸附剂块;
该组体积包括:
a)内部部分,该内部部分包括:
第一体积V1,该第一体积用于引入和分布或回收流体;
第二体积V2和第三体积V3,该第二体积和该第三体积各自包括吸附剂块并且位于该第一体积V1的两侧;以及
b)自由部分,该自由部分包括两个自由体积V4和V5,这两个自由体积用于引入和分布或回收包含在该内部部分的两侧以及该内部部分与该吸附器的外壳之间的流体;
该内部部分相对于该吸附器的外壳的中间平面对称地布置;
该内部部分具有实心下部底座和/或实心上部底座,并且该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到该吸附器的外壳的上壁或附接到该实心上部底座,并且附接到该吸附器的外壳的下壁或附接到该实心下部底座;
该组体积在该吸附器的外壳的下壁与该实心下部底座之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间;
或者,
该组体积在该吸附器的外壳的上壁与该实心上部底座之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间。
根据一个实施例,第二体积V2和第三体积V3各自具有多种吸附剂,并且分隔这些不同吸附剂的竖直壁以相同方式附接到吸附器的外壳的上壁或附接到实心上部底座,并且附接到吸附器的外壳的下壁或附接到实心下部底座。
贯穿本申请的其余部分,L表示吸附器A的长度,H表示吸附器A的高度,且I表示吸附器A的宽度。吸附剂块的截面也使用L来表示长度并且使用H来表示高度。
术语“固定床层”在本文中被理解为意指吸附剂在外壳中是不动的,外壳本身是不动的,不管吸附剂是呈颗粒(珠子、棒、微粒、小片等)形式还是结构化吸附剂(例如,比如整料)。意图是从而排除其中吸附剂可移动的任何解决方案,并且特别是轮或筒类型的任何旋转系统(在该方法中,外壳含有可移动的吸附剂)。
根据本发明的另一要点是气流水平地循环穿过吸附剂块的事实。此吸附剂块因此可以保持在两个竖直气体-多孔壁之间,为此,间隙容差可以非常低。因此,可以获得非常薄且非常均质的床层厚度。如已经陈述,用具有大的自由表面的平坦吸附剂床层来达到这种等级的精度实际上是不可能的。
还应注意,吸附器A的外壳的平行六面体形状使得能够对每个吸附器进行密集且均质的填充,而不必使用复杂的填充系统。
根据本发明的装置允许处理具有高流速的气流,并且以节能的方式进行处理,因为该装置仅引起非常小的压力损失。
取决于情况,根据本发明的装置可以具有以下特征中的一或多者:
-这些吸附剂块遵循TSA或PSA循环,或者是牺牲载荷块。术语“牺牲载荷”意指尚未再生的载荷。在牺牲载荷吸附剂块的情况下,还将参考保护床层;
-该第二体积V2和该第三体积V3各自包括至少两个相邻子体积,该至少两个相邻子体积包括不同的吸附剂,其中这些吸附剂全部相对于该吸附器的中间平面对称地布置。
优选地,这些不同的吸附剂通过竖直流体-多孔壁(H’*L’)分隔开。
-该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到该吸附器的外壳的至少一个侧壁;
-该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到平行于该吸附器的外壳的侧壁的至少一个实心板;
-该组体积在该实心板与该吸附器的外壳的侧壁之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间;
-含有吸附剂块的第二体积V2和第三体积V3沿其上端的整个长度包括意在避免经净化气体的与旁通或与局部溢流或与再生故障(如果存在再生)相关联的局部潜在污染的系统;
-吸附器A的外壳包括用于引入和/或提取在第一体积V1、自由体积V4和V5中循环的不同流体的构件,这些构件优选地将位于同一面(H*I)上;
-第一体积V1包括用于处理经净化流的过滤器,其中此过滤器优选地为自清洁的,即如果存在再生气体,则再生气体在逆流方向上横越该过滤器;
-形成吸附器的外壳的平行六面体具有在3米与12米之间的范围内的长度、在1米与3米之间的范围内的高度H、以及在1米与3米之间的范围内的宽度I;
-形成吸附器的外壳的平行六面体包含在ISO容器中或符合与这些容器有关的ISO标准并包括也符合这些ISO标准的抓取系统的结构中;
-该容器的结构的至少一个部分直接用作吸附器的结构。
应注意,根据本发明的装置可以包括并行操作的多个吸附器A。
本发明还涉及一种用于通过实施根据本发明的装置的吸附来净化气流的方法,并且该方法包括:
-通过使所述气流并行穿过该吸附器A的两个吸附剂块来净化该气流的步骤;以及
-通过使再生流并行穿过该吸附器A的两个吸附剂块来再生该吸附器A的步骤;或者
-更换该吸附器A的两个吸附剂块的至少部分的步骤。
应注意,“净化”尤其可以理解为意指比如CO2或稀有气体等成分的收集。
本发明的实施如本文描述的单个吸附器的方法可以例如允许维持基本上封闭的腔室的气氛,在该气氛中或多或少持续地产生至少一种组分X,该组分的最大可接受含量Ym可以相对较低(例如,低于%),并且因此应从系统提取。
该组分可以与通过一群人的呼吸而呼出的CO2的所述组分X有关,外壳于是可以是潜水艇或气密隔离的庇护所的内部。该组分可以涉及来自涂料、清漆、不同涂层的刺激性气味,外壳于是可以是具有空气循环的建筑物。更一般地说,该组分可以涉及外壳(水果储存仓库、温室等)基本上闭合时的不同释放物。基本的解决方案是持续地或循环地净化,以便将组分X朝外部排出,并且从而维持X含量将低于Ym的气氛。应了解,在潜水艇或太空舱的情况下,这种净化可能对系统非常不利,但在许多情况下,这种净化也可能较困难且昂贵,因为其是通过损耗能量(加热或冷藏的外壳)或有意保留在外壳中的组分(某些温室中的高CO2含量、促进产品保存的添加剂等)来实现的。
根据本发明的解决方案在这些情况下将涉及循环来自外壳的气体的一部分,通常是含有将通过吸附器A的两个吸附剂块排放到外部的组分X的空气。保留的吸附剂将根据此杂质来选择,例如,如果意图是从潮湿的大气中去除CO2,则保留的吸附剂为经掺杂的活性氧化铝;如果涉及到挥发性有机化合物,则保留的吸附剂为硅胶或活性炭。通常将使用简单的风扇来循环要净化的气体的部分,所使用的技术因此使得可以以数十毫巴或甚至更小量级的最小压力损耗来进行此净化。在一些情况下,由于与流体通过相关的净化低阻力,使外壳中的气氛均质化通常所需的风扇将用于此目的。此吸附阶段将持续,直到吸附剂装满组分X为止。对于预期应用,有效地可以使循环气体中的组分X渗透吸附剂或甚至使吸附剂饱和。一旦获得此状态,就将暖锋发送到吸附剂中,这将使组分X快速解吸。接着产生的部分高度富集X,例如在此步骤的持续时间内平均多10倍,并且朝外部排放。通过简单的回顾,看起来像是,以此方式,通过简单的净化来消除相同量的不期望的产物,只损失10%的气体。加热步骤可以与净化阶段顺流地进行,从而允许获得非常简单的净化单元,该净化单元包括串联的:风扇(任选地,该风扇用于使气氛均质化,或在净化的情况下抽吸大气空气);加热元件,该加热元件处于关断期间或在服务中(任选地,该加热元件将用于维持外壳中的一定温度水平);根据本发明的吸附器;以及在出口处的装置,该装置使流体返回到外壳的内部,或返回到外部环境,这取决于方法的步骤。实施方案的细节(并且特别地,净化和排放(加热)期间的相应流速和持续时间、吸附剂、温度水平等)取决于预期系统,并且逐个情况地进行适配。
更一般地说,根据本发明的吸附器可以用于在接近大气压力的压力下将含有具有相应含量Ya、Yb、Yc…Yn的N种组分(N>1)A、B、C…N的流体划分为具有相应含量Y1a、Y1b、Y1n…、Y2a、Y2b、Y2n等的2种或更多种流体,通过循环地改变流体的入口温度(以及任选地,流体在入口处的流速),来在所述吸附器的出口处相继获得这些流体。同样地,本申请的全部益处是由于以下事实,凭借所使用的实施大的流量截面和低厚度的技术,即使在低压下通过吸附剂块对于有限的投资也是能量高效的。
视情况而定,根据本发明的方法可以具有以下特征中的一或多者:
-该净化步骤是在0.95巴绝对压力与1.2巴绝对压力之间、优选地在1.0巴绝对压力与1.15巴绝对压力之间的范围内的压力下进行;
-该方法实施如先前定义的装置,并且在该净化步骤中,将该气流引入到这两个自由体积V4和V5中,并且从该第一体积V1抽吸该经净化的气流;
-该方法实施如先前定义的装置,并且在该净化步骤中,将该气流引入到与自由体积V4和V5流体连通的空间中,并且从该第一体积V1抽吸该经净化的气流;
-该方法实施如先前定义的装置,并且在该再生步骤中,将该再生流引入到该第一体积V1中,并且接着将该再生流抽吸到这两个自由体积V4和V5中;
-该方法实施如先前定义的装置,并且在该再生步骤中,将该再生流引入到该第一体积V1中,并且接着将该再生流抽吸到与自由体积V4和V5流体连通的空间中。
[图3]展示根据本发明的不同体积(自由体积、吸附剂体积)的布置的示例。已经使用细线来示出吸附器1的外部外壳,而使用粗线来随机示出内部部分2。“基本上平行六面体形状”意在表示吸附器的外壳以及内部部分实际上具有六个平坦面,并且具有平行六面体的外观,其中各个面成直角;但可以存在加强件,局部至少一个内部或外部隔绝层,以及显然用于引入和抽出要净化的气体和再生气体的管道或盒。在吸附器被平放在地上且处于其操作位置中的情况下,L指代其最长长度,I指代其宽度,且H指代其高度。在本发明的范围内,涉及外部或内部尺寸的事实并不重要。
因此,使用吸附器的3个维度(即,吸附器的外部外壳的H*L*I和内部部分的H’*L’*I’)来定义所实施的平行六面体中的每一者。因此使用其尺寸L*I和L’*I’(例如附图标记3)来标示水平面、底面和顶面。较大的竖直面分别标示为H*L和H’*L’(例如附图标记4)。对于内部部分,这些面H’*L’是流体-多孔的(例如附图标记5)。接着将其他较小的竖直面标示为H*I和H’*I’(例如附图标记6)。
形成内部部分本身的平行六面体H’*L’*I’划分成3个子体积,这3个子体积全部是平行六面体形状。中央体积V17是意在用于循环流体的自由体积。容纳在2个平行六面体V28和V39中的吸附剂块位于V1的两侧。内部部分关于其竖直中间平面对称,该竖直中间平面在吸附器附图的右手侧示意性地示出,附图标记为10。此中间平面10也是吸附器的外壳的中间平面。因此,吸附器作为整体具有对称平面10。以此方式,吸附剂块中的每一者将处理要净化的气体的50%的流量,并且如果存在再生气体(在TSA或PSA的情况下),则将由再生气体的50%的流量再生。所有流体经由面H’*L’水平地循环穿过吸附剂,这些面是仅有的多孔面。此循环从内部部分的中央自由体积V1朝外壳(例如附图标记11)的自由体积V4和V5发生,且反之亦然。
在图3中所使用的布置中,内部部分的长度与外壳相同(L’=L),但较短(H’<H)。所述内部部分的上部面附接到外壳的上部面,即它们具有共同的顶板。因此,内部部分的底板与外壳的底板之间存在空间,外壳的该空间流体地连接自由体积V4和V5,于是整体形成外壳的自由体积。这是外壳与内部部分之间的可能配置之一。下文将描述其他可能性。因此,[图3]仅仅是被选择来阐释实施原理的根据本发明的吸附器的可能配置的一个非限制性示例。
根据一个变体,内部部分的第二体积V2和第三体积V3各自包括多个(N个)(其中N在1与4之间的范围内,优选地为N=2)相邻子体积,其中这些体积中的每一者能够容纳具有不同特性的吸附剂,所有这些吸附剂相对于吸附器的中间平面对称地布置。通常,不同的吸附剂通过流体-多孔竖直壁(H’*L’)分隔开,这些流体-多孔竖直壁保持吸附剂并防止它们混合。然而,应注意,不同的吸附剂可安装有可移动壁,该可移动壁在填充期间逐步升高并且在适用时被去除或最终留在合适地方。
假定是空气净化,则将使用第一吸附剂,例如用于去除绝大多数的水以及任选地一些CO2(活性氧化铝、硅胶、经掺杂的氧化铝等),并且将使用第二吸附剂,该第二吸附剂意在用于去除剩余的CO2、氮氧化物以及某些碳氢化合物(沸石X,优选地,特别是与钙和/或钡交换)。同样地,可以使用单个床层(掺杂氧化铝、沸石X)或3个连续床层(例如氧化铝、沸石X、经交换的沸石)。
在通过[图4]的截面4.A示意性地示出(该图是吸附器的在其中心竖直地切开的侧视图)的第一配置中,吸附器被设计成使得与吸附剂体积有关的竖直壁(H’*L’)在顶部和底部分别可密封地附接到吸附器的外壳的上壁和下壁。此配置较简单,并且使组件坚硬,但接着有必要检查服务条件是否并不导致过高的机械应力。这将基本上取决于所使用的材料、壁之间的固定类型、以及再生期间所使用的温度(如果是TSA方法的情况)。此TSA方法取决于所使用的吸附剂、可用的再生速率、以及吸附剂中用于制定大小的杂质的残留水平。例如,在60至90℃的再生温度下,这种配置可以是可能的。在150到250℃的温度下实施将不太明显。
相反地,在以基本上恒定温度操作的保护床层或准等压PSA的情况下,这种容易实施的简单解决方案可以有利地保留。
应注意,为了简单起见,示出单个吸附剂床层。在大多数情况下,每一侧将存在至少一个中间多孔壁,该至少一个中间多孔壁意在用于分隔两种或更多种不同吸附剂。
对于任何潜在的与温度有关的问题,可能需要一定的自由度来允许保持吸附剂的多孔竖直壁的竖直移动。
因此,根据其他实施例,吸附器被设计成使得吸附剂体积的竖直壁(H’*L’)在顶部可密封地附接到吸附器的外壳的上壁,并且在底部可密封地附接到实心底座或底板,这是从吸附剂体积的外壁开始到另一体积的外壁,如截面4.B中所示。
接着可以看到,所述实心底座与吸附器的外壳的下壁之间存在空间,该空间形成与2个侧向自由体积(V4和V5)流体连通的另外的自由体积V2c并且有助于形成吸附器的自由体积。
在逆向配置(截面4.C)中,吸附剂体积的竖直壁(H’*L’)在顶部可密封地附接到实心底座或顶板,这是从吸附剂体积的外壁开始到另一体积的外壁;并且在底部可密封地附接到吸附器的外壳的下壁,并且于是所述顶板与吸附器的外壳的上壁之间存在空间,该空间形成与2个侧向自由体积(V4和V5)流体连通的另外的自由体积V2d并且有助于形成吸附器的自由体积。
最后,根据另一实施例(4.D),吸附剂体积的竖直壁(H’*L’)在顶部且在底部分别可密封地附接到实心底座、顶板和底板,这是从吸附剂体积的外壁开始到另一体积的外壁;并且在底部可密封地附接到吸附器的外壳的下壁。在此情况下,所述顶板与吸附器的外壳的上壁之间以及所述底板与此同一外壳的下壁之间存在空间,该空间形成与2个侧向自由体积(V4和V5)流体连通的另外的自由体积并且有助于形成吸附器的自由体积。
外壳中的内部部分的机械强度可以通过例如下部部分中的支撑件或例如上部部分中的悬挂系统来改善。这些固持构件可以具有一定程度的柔性,以配合与先前已经提到的热膨胀和收缩有关的可能移动。所述构件优选地可为间歇的或至少不连续的,并且不阻碍流体从一个区到另一区中的通过。
类似地,相对于内部部分的侧向壁(H’*I’)存在不同的配置。
根据第一实施例,至少在一侧,吸附剂体积的竖直壁的侧向端在其整个高度(H’)上可密封地附接到吸附器的外壳的侧向壁(H*I)。
根据第二实施例,至少在一侧,吸附剂体积的竖直壁的侧向端在其整个高度(H’)上可密封地附接到实心板(H’*I’)。
[图5]中示意性地示出了一系列纵向截面。假定随机示出为粗线的内部部分在上部部分附接到外壳,并且也具有其自己的底板。截面5.A示出了通过其两个侧边附接到外壳的内部部分,截面5.B示出了在一侧附接并且另一侧被平坦底座封闭的内部部分,并且截面5.C示出了具有两个特定底座的内部部分。
如前所述,附接到内部部分的每个实心板与吸附器的外壳的相邻侧壁之间存在空间,该空间形成与2个侧向自由体积(V4和V5)流体连通的另外的自由体积并且有助于形成吸附器的自由体积。
这些自由体积允许流体循环,并且促进去往2个吸附剂块中的每一者的流之间的良好平衡。另外,这些自由体积可以允许适应非常高效的分布系统,从而允许穿过吸附剂的所有流的几乎理想的分布。下文将提供这种类型的器件的示例。
根据优选变体,含有吸附剂块的体积V2和V3在其上端的整个长度上包括意在避免经净化的流体的局部潜在污染的系统。
实际上,在流体在吸附剂块中的循环为水平的情况下,发现对径向吸附器特定的一些约束,并且特别地,需要避免杂质在吸附器的上部部分中的过早渗透的事实。所述渗透可以源于旁通,或源于气体的局部溢流和/或源于再生故障。
对于旁通本来,旁通可以源于吸附剂的沉淀。这些问题是所属领域的技术人员众所周知的,并且在此情况下可以应用于先前开发的解决方案。特别地,按其几何形状来使用平行六面体吸附器简化了预期用于径向床层的解决方案的实施(死区填充有足够高度的吸附剂、等效于圆锥体的系统等)。还应注意,填充也得以简化,并且在此情况下,较容易获得密集且均质的降雨填充(rainfall filling),从而限制了沉淀以及床层中的密度不均的风险。由于简单的几何形状,将有可能使用例如在大于P1的压力下的充气气球,从而在吸附剂的自由表面上方形成密封。该填充还可以是通过相对于操作压力的略微过压永久施加到吸附剂的自由表面的薄膜。此过压可以源于流体,例如仪表空气,或重质材料。同样地,针对氧气产生单元的借助吸附的径向吸附器开发的解决方案将需要进行适配,并且可以在文献或已申请专利中找到对这些解决方案的描述。
鉴于吸附器所采用的几何形状,根据本发明的方法将使得一方面内部部分的中央体积V1而另一方面外壳的自由体积(由V4和V5组成)具有用于引入和提取在吸附器中循环的不同流体(要净化的气体、意在用于低温分离单元的经处理气体、源自此同一单元的再生气体,最普遍的低压氮气)的构件。
更具体地说,内部部分在外壳(具有其任选的平坦底座)中的布置以及用于引入和提取在吸附器中循环的不同流体的构件的布置意指所述流体在所述吸附器的入口与出口之间的循环仅穿过吸附剂块发生,且以水平方式也是如此。
如在必须实际上将所有杂质从流体中去除的所有吸附器中,必须通过采用适当的技术(焊接、凸缘、密封件等)来确保元件之间的连接是液密的。
根据优选布置,要处理的流经由体积V4和V5进入,并且一旦经过净化,就经由体积V1离开,并且因此,在TSA型操作中,再生气体通常经由体积V1进入,并且经由体积V4和V5离开。此布置的优点源于如目前至少在低温分离单元上游的空气净化单元中实施的TSA方法。这里不再细说,必须理解,在这种类型的单元中,通常的做法是,在再生期间,仅输入杂质解吸严格需要的量的热量,使得暖峰不离开吸附剂。例如,为此,可以参考文献EP 1080773,来更全面阐释对加热时间的调节。这意指所有(或实际上所有)外部外壳都保持在与传入气体的温度接近的温度,并且仅内部部分经历暖锋。在其中内部部分的一个面附接到外壳的壁或非常接近外壳的壁的配置中,为了限制热传递而使用隔热构件可以是值得的。所述隔热构件可以在内部部分侧和/或外壳侧,和/或任选地在内部部分与外壳之间。这种隔热不会总是必要的,特别是在大量再生气体流可用的情况下。基本上低于100℃、大约50℃到80℃等级的再生温度于是将为可接受的。在此情况下,热损失将自然较低,并且热应力将与有限的膨胀有关。相反地,150℃及以上的再生温度的使用将导致对所产生的约束的更详细研究。取决于要净化的气体的入口的位置,并且特别地,如果所述气体已基本上被冷却来促进杂质的吸附,则可能有必要对吸附器的某些部分进行隔热,以便维持此优点。
根据优选变体,内部部分的中央体积V1包括过滤器,该过滤器允许在将经净化的气体朝下游单元引导之前对该经净化的气体进行处理。此过滤器优选地将是自清洁的,即,再生气体(TSA、PSA情况)将在逆流方向上横越该过滤器,这将去除在先前步骤期间可能已经停止的任何灰尘。净化接着通常存在于低点处以定期地排放所述灰尘。可以以许多方式来制作此过滤器。通过使用[图5B]的布置,[图6]示出了这些可能性中的一些。该图示出了吸附器的对称的中间平面的水平处的截面。附图标记20对应于外壳,21对应于内部部分,22对应于经净化的气体的出口管道和再生气体的入口,23对应于此管道的可密封地穿过外壳的自由体积的部分,24对应于此管道的属于内部部分的部分,并且25对应于一或多个过滤区。
已经使用粗线来示出管道和过滤器。该管道的截面可以采取任何形状(圆形、三角形、矩形等)。
在[图6A]中,该管道本身穿过充当过滤器的自由体积V126。在此区中,例如该管道是穿孔的,并且被允许50微米过滤的织物环绕。该管道的延伸部中也可以附接商用过滤器,当该延伸部通向体积V1中时,该延伸部于是停止的。该管道或市售过滤器可以具有锥形内部衬里,以更好地沿其整个长度分布流体。
在[图6B]的情况下,使用附接到管道24的多个市售过滤器(25)。这样可以允许通过将流体的注入点分布在自由体积V1中,来改进流体穿过吸附剂块的分布。在[图6C]的结尾,高效流体分布系统与过滤相关联。应注意,这种分布系统可以独立于过滤功能而安装。该分布系统可以涉及安装在自由体积V1中、在中间竖直平面的两侧并且与保持吸附剂的多孔壁相隔一定距离的2个穿孔壁。通过产生另外的压力损失,此系统可以允许气体在吸附剂块中几乎理想的分布。该压力损失在文献结尾处使用的示例中使用。
在更优选的配置中,用于将流体引入体积V1、V4和V5中并且从这些体积提取流体的构件位于吸附器的平行六面体外壳的同一面(H*I)上。这允许吸附器的所有入口和出口合并,以便促进与吸附器本身外部的设备(阀、交换器等)的连接。
[图7]展示这样的布局。再者,使用[图5.B]的布置,即经由其上部面以及经由一侧附接到外壳的内部部分,其中简单的管道贯穿自由体积V1,如6.a中所示。使用与此截面中相同的附图标记。在沿吸附器的竖直中间平面的截面7.A上,要净化的流经由管道27到达,接着进入吸附器的外壳。内部部分的底座28充当导流板,并将气体流分布到包含在外壳的壁与所述底座之间的自由体积29中。[图7.B]示意性地示出了俯视图,并且示出了流体在吸附器中的循环。在已经循环到自由体积29中之后,要净化的气体进入标记为30的2个自由体积V4和V5,穿过吸附剂的多孔支撑壁,并且接着穿过吸附剂块,接着通过中央多孔壁离开,进入排放管道并离开吸附器22。
鉴于净化中所涉及的压力低,并且在一些情况下,鉴于温度保持接近环境温度,则用于TSA的材料可以变化。材料将基本上涉及金属材料(碳钢、不锈钢、铝等)和/或聚合材料。在一些部分中,可以使用低热膨胀材料,比如INVAR。构建将全部在车间中发生,将仅在现场进行不同流体的连接。吸附剂优选地也将在车间中填充。
这种吸附器可以容纳至多大约50m3的吸附剂。从液压的角度来看,为气体保留的流量截面根据所使用的吸附剂的特性(形状、当量直径、空隙比等)以及可允许的压力损失,允许处理介于大约20,000Nm3/h与100,000Nm3/h之间的流量。对于一些应用,比如CO2捕获,预期实施基本上较高体积的吸附剂并且处理较高的流量。实施根据本发明的多个吸附器将是优选的,而不是使用较难运输的较大吸附器。这些吸附器可以按照常规的TSA循环(例如,吸附中6个和再生中6个)或以更复杂的方式并行操作,以便总是具有例如处于加热阶段的吸附器。
以下示例将展示如上文所述的本发明。将参考大的吸附器,大的吸附器的意图是使用入口和出口气体分布器件来最大化吸附剂的体积,以相比之下减少流体穿过吸附剂块的良好分布所需的体积。
本发明涉及一种保护床层,该保护床层意在尤其停止可以达数万Nm3/h的二氧化碳流中小痕量的重质碳氢化合物(比如环状化合物)。压力为1.15巴绝对压力等级。所使用的吸附剂是杆状活性碳。为了最小化压力损失并且最大化每吸附剂载荷的操作持续时间,使用根据本发明的最大吸附器,即仍与大ISO容器兼容。提醒一下,在此情况下,不存在就地再生,并且被污染的载荷定期地被新的载荷代替。
根据本发明,吸附器呈平行六面体的形式,其长度L等于约12m,高度H等于约3m并且宽度I等于约3.00m。[图8]示出了所述吸附器的透视截面。意在用于分布流体50的体积V1位于中心。此体积本身划分为3个子体积,这些子体积通过中央区两侧的穿孔壁51分隔开。这些穿孔壁允许气流在保持吸附剂的多孔壁52的整个长度和高度上分配。这些穿孔壁放置在多孔壁的数厘米内,以便允许气脉在进入吸附剂之前扩散。吸附剂上永久支承的密封系统53避免了上部部分中由于吸附剂的可能沉淀而导致的旁通。吸附剂块54被多孔壁55保持在外侧的合适位置。穿孔壁56用于气流的适当分配。气体接着循环到包含在所述穿孔壁56与吸附器的外壳57的壁之间的自由体积中。实际上,流的循环相对于吸附器58的中间平面是对称的。
吸附剂的有用高度是2.5m。每个床层的宽度为大约0.9m。吸附剂的总体积为大约54m3。未示出的实心壁需要在中央部分的端部显现,该壁将所述内部部分与外部外壳的自由体积隔离。不纯的CO2的进入以及经净化的CO2的排放如上文所述而发生,特别是在图6和图7中。
Claims (12)
1.一种用于通过吸附来净化气流的装置,该装置包括具有水平布置的平行六面体形状的外壳的至少一个吸附器A,并且包括:
-用于该气流的入口和出口;
-两个固定床层吸附剂块,这两个固定床层吸附剂块中的每一者也是平行六面体形的,这两个固定床层吸附剂块的面平行于该外壳的面;以及
-一组体积,该组体积允许该气流在这些吸附剂块中的每一者的整个截面上且在这些吸附剂块中的每一者的整个厚度上、并行地且在相反方向上水平穿过这两个吸附剂块;
该组体积包括:
a)内部部分,该内部部分包括:
-第一体积V1(7),该第一体积用于引入和分配或回收流体;
-第二体积V2(8)和第三体积V3(9),该第二体积和该第三体积各自包括吸附剂块并且位于该第一体积V1的两侧;以及
b)自由部分,该自由部分包括两个自由体积V4和V5(11),这两个自由体积用于引入和分配或回收包含在该内部部分的两侧以及该内部部分与该吸附器的外壳之间的流体;
该内部部分相对于该吸附器的外壳的中间平面对称地布置;
该内部部分具有实心下部底座和/或实心上部底座,并且该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到该吸附器的外壳的上壁或附接到该实心上部底座,并且附接到该吸附器的外壳的下壁或附接到该实心下部底座;
该组体积在该吸附器的外壳的下壁与该实心下部底座之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间;
或者,
该组体积在该吸附器的外壳的上壁与该实心上部底座之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间。
2.如前述权利要求所述的装置,其特征在于,这些吸附剂块遵循TSA或PSA循环,或者是牺牲载荷块。
3.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,该第二体积V2和该第三体积V3各自包括至少两个相邻子体积,该至少两个相邻子体积包括不同的吸附剂,其中该组吸附剂相对于该吸附器的中间平面对称地布置。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到该吸附器的外壳的至少一个侧壁。
5.如权利要求1至3之一所述的装置,其特征在于,该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有竖直壁,这些竖直壁可密封地附接到平行于该吸附器的外壳的侧壁的至少一个实心板。
6.如前述权利要求所述的装置,其特征在于,该组体积在该实心板与该吸附器的外壳的侧壁之间包括与这些自由体积V4和V5流体连通的空间。
7.一种用于通过吸附来净化气流的方法,该方法实施如前述权利要求之一所述的装置并且包括:
-通过使所述气流并行穿过该吸附器A的两个吸附剂块来净化该气流的步骤;以及
-通过使再生流并行穿过该吸附器A的两个吸附剂块来再生该吸附器A的步骤;或者
-更换该吸附器A的两个吸附剂块的至少部分的步骤。
8.如前一项权利要求所述的方法,其特征在于,该净化步骤是在0.95巴绝对压力与1.2巴绝对压力之间、优选地在1.0巴绝对压力与1.15巴绝对压力之间的范围内的压力下进行。
9.如权利要求7或8之一所述的方法,其特征在于,该方法实施如权利要求1至6之一所述的装置,并且在该净化步骤中,将该气流引入到这两个自由体积V4和V5中,且从该第一体积V1抽吸该经净化的气流。
10.如权利要求7或8之一所述的方法,其特征在于,该方法实施如权利要求1或6之一所述的装置,并且在该净化步骤中,将该气流引入到与这些自由体积V4和V5流体连通的空间中,并且从该第一体积V1抽吸该经净化的气流。
11.如权利要求7至10之一所述的方法,其特征在于,该方法实施如权利要求1至6之一所述的装置,并且在该再生步骤中,将该再生流引入到该第一体积V1中,并且接着将该再生流抽吸到这两个自由体积V4和V5中。
12.如权利要求8、9或11之一所述的方法,其特征在于,该方法实施如权利要求1至6中任一项中所述的装置,并且在该再生步骤中,将该再生流引入到该第一体积V1中,并且接着将该再生流抽吸到与这些自由体积V4和V5流体连通的空间中。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210907 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |