CN113424004A

CN113424004A - 使用平行六面体吸附器分离空气中所含气体的设备和方法

Info

Publication number: CN113424004A
Application number: CN202080013373.6A
Authority: CN
Inventors: 伯诺瓦·达维迪安
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: FR3093169A1; US20220196326A1; CA3129477A1; FR3093169B1; EP3928043A1; CN113424004B; WO2020169900A1; AU2020225422A1; BR112021015733A2

Abstract

一种用于从空气中分离气体的设备在空气流的循环方向上包括：‑压缩装置(C)，其用于将该空气流压缩至1.15巴绝对值与2巴绝对值之间的压力P1，‑TSA吸附单元(A)，以及‑低温蒸馏单元(D)，‑其中该吸附单元包括至少两个吸附器A1和A2，每个吸附器具有水平布置的平行六面体外壳并且包括：‑空气流入口和出口，‑两个固定床吸附剂块，每个固定床吸附剂块也是平行六面体的，其中面与该外壳的面平行，以及‑一组体积，其允许该空气流水平地平行穿过这两个吸附剂块、经过这些吸附剂块中的每一个的整个截面并且贯穿其厚度。

Description

使用平行六面体吸附器分离空气中所含气体的设备和方法

本发明涉及一种用于分离空气中所含气体的设备以及使用所述设备分离空气中所含气体的方法。更具体地说，本发明涉及在通过低温蒸馏来分离大气空气之前净化所述空气。

已知大气空气含有必须在其被引入空气分离单元的冷箱的热交换器之前被去除的化合物，特别是水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、氮氧化物和碳氢化合物。

在不对空气进行此种处理以便去除其H2O和CO2杂质的情况下，当空气冷却至低温温度(典型地低于-150℃)时，这些杂质凝固，这可能导致装备特别是热交换器、蒸馏塔等被堵塞的问题。

此外，还通常至少部分地去除可能存在于空气中的碳氢化合物和氮氧化物杂质，以便防止其在一个或多个蒸馏塔的底部中浓度过高，并且因此减轻装备损坏的任何风险。

这种空气的预处理目前在适当时使用PSA(变压吸附)工艺或TSA(变温吸附)工艺进行。这些工艺的不同之处在于吸附剂的再生方式：如果所述再生是由于压力低于吸附压力而发生的，则为压力效应；或者当所述再生在高于吸附温度的温度下进行时，则为温度效应。应注意的是，TSA单元中也可能存在减压效应，并且在这种情况下可以使用各种名称。在本文件中，当使用温度效应进行再生时，使用术语“TSA”，无论是否存在与压力相关的附加效应。

常规地，TSA工艺空气净化循环包括以下步骤：

-在高于大气压的压力和环境温度下净化空气，如果在单元上游使用制冷装置，则温度任选地在5℃至10℃的量级，

-将吸附器减压至大气压，

-在大气压下使吸附剂再生，特别是使用来自空气分离单元并且通过交换器(通常是电加热器或蒸汽加热器)加热至一般在90℃与250℃之间的温度的不纯氮气，

-将吸附剂冷却至环境温度，特别是通过继续向其中引入来源于空气分离单元、但未被加热的所述废气，

-用大气空气或净化的空气、例如来源于在生产阶段的吸附器的空气对吸附器进行再加压。

通常，空气预处理设备包括交替运行的两个吸附器，即其中一个吸附器在生产阶段，而另一个在再生阶段。

除以上所描述的步骤外还可以添加附加步骤，如将这两个吸附器并联放置的步骤，改变持续时间的步骤，即从几秒钟至几分钟，或者在没有流体循环穿过吸附剂的情况下的等待步骤，例如在再生步骤结束时。

由于压力有利于捕获杂质，净化单元通常安装在压缩之后，即在大于3巴绝对值(bar abs)的压力、经常在大于4.5巴绝对值的压力。此压力取决于为了空气分离所施加的低温循环。

最常用的循环是常规的双柱循环，其中空气被压缩至单一压力，该单一压力不计压头损失时对应于所谓的中压柱的操作压力，即非常普遍地在4.5与6巴绝对值之间。

存在更复杂的低温循环，其中空气在中压(MP，典型地为4.5至9绝巴)和高压(HP，典型地为10至65绝巴，或甚至90绝巴)二者下使用。通过将适当分数的中压空气再次压缩或通过使用两台压缩机(MP、HP)将大气空气压缩至所需压力，来获得最高压力。可以使用两个净化单元(用于在此压力下直接使用的空气部分的MP单元和用于压缩至高压的部分的HP单元)，以便将待使用的吸附剂体积最小化。这一解决方案在FR2949846中提出，其中第一压力在5与9巴绝对值之间、或甚至在2与4巴绝对值之间。然而，为了简单起见并且通常由于投资较小，一般应用包括在MP下净化所有空气的解决方案。EP 0789208 B1中描述了这种类型的循环的一个实例，具体参见图1[Fig.1]，其中在第一次压缩之后，MP压力为5至6巴。以这种方式净化的空气部分然后被增压。

将理解的是，尽管压力促进了吸附，但作为交换，它需要与净化相关的装备、特别是吸附器的外壳具有更大的机械强度。若干类型的吸附器用于这种空气净化应用：具有竖直轴线的圆柱形吸附器，具有水平轴线的圆柱形吸附器、径向吸附器。将注意的是，所有使用的套圈都是圆柱形的。这是因为圆柱体比平坦表面更能抵抗内部压力。

由于用于空气分离所消耗的能量本质上与用于压缩空气所需的能量相关，因此必须使影响此压力的整个回路的压头损失最小化，以便获得最佳的比分离能量。空气净化过程中的压头损失是工艺的并非无关紧要的不可逆性部分。因此，存在开发对流体循环具有最小制动的吸附器的潜在趋势。无论吸附器的类型如何，使用呈薄层的并且具有大流量面积的吸附剂都是通常应用的解决方案之一，但是这种选择具有缺点。

如图1中示意性地示出，这种布置导致吸附剂体积两侧有大的死体积。图1A、1B和1C分别示出了具有竖直轴线和水平轴线的圆柱形吸附器以及径向吸附器。当它们以薄层使用时，吸附剂体积仅占吸附器的总内部体积的一部分，通常小于50％。当吸附器的尺寸增大时，此部分趋于减小。这些死体积的部分是必需的，以确保穿过吸附剂体积的空气和再生气体的令人满意的分布。如本文件开头提及的，本申请寻求对各种杂质的非常精细的净化，特别是对于碳氢化合物(尤其是对于丙烷)和氮氧化物，通常远低于一ppm(百万分之一)。这导致在吸附器的入口和出口处的大分布区，以便具有均匀分布。这也需要特别小的填充公差，以便具有相同厚度和相同密度(或相同空隙分数)的吸附剂层，无论流体穿过吸附剂的路径如何，以便避免在净化步骤结束前污染生产的任何空气旁路。

将注意的是在径向床的情况下，由于使用同心圆柱形网格，可以获得在制造公差内几乎相同的床厚度。相反，在具有竖直或水平轴线的圆柱形吸附器的情况下，在填充后，自由表面必须非常平坦，并且必须确保它们在操作期间保持这种状态。在可能超过10m2的区域上，这需要适当的安装程序和/或器件。

尽管圆柱形吸附器由于其几何形状可以相对高效且均匀地被填充，但径向床并非总是如此，为此通常必须使用专门开发的装备和/或必须在顶部部分提供可移除的装备。

由于外壳的体积、壁的厚度以及当需要穿过薄床良好分布流体时必须提供的适当设备，这导致中压净化的投资相对较大。因此，为了尝试降低这一成本，已经有许多开发，特别是提出使用大气压力净化单元来代替MP净化或至少减小其尺寸。

特别地，已经开发了具有位于空气压缩机的进气口处的全部或部分大气压力空气净化的系统。

US 2005/0217481描述了此种系统，该系统使用通过低压成为可能的技术，即低压旋转吸附剂接触器。这种工艺被认为适合于在低温分离之前的空气净化。当寻求超高纯度时，必须使用串联的三个设备。

仍使用旋转吸附剂接触器技术，已经设想了在压缩之前串联放置旨在去除大部分水分的旋转系统，接着进行常规净化以去除残余杂质。可以参考US 2017/0216760，其描述了这种双系统，尽管应用于VPSA。

应注意的是，旋转系统最初开发是用于在空气调节过程中在大气压下从空气中去除一些水分，而不是用于精细净化。对于后一种应用，它们必须通过增加流体之间和对外部的密封以及增加串联级数来调整。据我们所知，所设想的应用的工业生产尚未出现。

密封旋转系统的这些问题随着远离大气压而变得越来越麻烦。

这里应注意的是，将吸附压力从MP降低至大气压具有两倍、或甚至三倍的负面影响。对于相同的含量，吸附的量明显更低，并且对于CO2、痕量的碳氢化合物和氮氧化物尤其如此。这导致吸附剂体积第一次增大。要在大气空气中捕获的水的量非常明显地大于在MP空气中捕获的水的量。在MP解决方案中，大部分水在空气压缩机的后冷却器的出口处以液体形式被去除。这导致干燥剂的体积显著增大。然而，这种水的吸附也导致加热循环穿过吸附剂的空气，再次降低吸附CO2和其他杂质的能力。

实际上，这意味着包括在大气压下进行空气净化的解决方案并不完全令人满意，并且很少使用。与使用低压相关的材料和技术上的潜在节省完全被低压在捕获杂质方面造成的困难所抵消。

因此也提出了混合解决方案，即在大气压下进行部分净化，然后在中压下进行最终净化。最终净化单元比常规的解决方案的净化单元更小，但必须使用两个单元抵消了可从这种减少预期的益处。

最终，目前没有能够从低压技术和MP净化中获益的净化工艺。

本发明的一种解决方案是一种用于分离空气中所含气体的设备，该设备在空气流的循环方向上包括：

-压缩装置C，其使得能够将该空气流压缩至1.15巴绝对值与2巴绝对值之间的压力P1，

-TSA单元A，以及

-低温蒸馏单元D，

-其中该吸附单元包括至少两个吸附器A1和A2，每个吸附器具有水平布置的平行六面体外壳并且包括：

-空气流入口和出口，

-两个固定床吸附剂块，每个固定床吸附剂块也是平行六面体的，这些固定床吸附剂块的面与该外壳的面平行，以及

-一组体积，其允许该空气流水平地平行穿过这两个吸附剂块、经过这些吸附剂块中的每一个的整个截面并且贯穿其厚度。

在下文中，吸附器A的长度表示为L，其高度表示为H并且其宽度表示为l。吸附剂块的截面也具有长度L和高度H。

压力P1的选择在本发明的上下文中是基本的。此压力必须足够低以允许对吸附器(即在实际中，吸附器外壳具有平坦表面而不是圆柱形外壳)采用低压技术，但是也必须明显地高于大气压以便限制以上所列的负面效应。例如，1.5巴绝对值的压力使得能够使用平行六面体吸附器，其任选地在平坦表面上具有一些加强件。与大气压的解决方案相比，它还允许非常可观的改善。杂质的分压增加了50％，并且由于这些杂质以痕量的形式存在，所用吸附剂的吸附容量也增加了50％，作为初始近似值。可以引入的水的量较小，并且相对应的温度上升也较小。

对于相同的吸附时间，在1.5巴绝对值下的净化比在3或4巴绝对值下的MP净化产生大得多的体积，但是也远比在大气压下的净化更有效。因此，对外壳使用低压技术可以使平衡倾向有利于根据本发明的解决方案。

通过吸附剂块的过程优选地在相反方向进行。

在此，固定床意指无论是呈颗粒形式(珠粒、条、微粒、晶片等)还是结构化吸附剂形式(例如像整块)的吸附剂都在本身固定的外壳中是固定的。这排除了其中吸附剂是可移动的任何解决方案，并且特别地排除了任何旋转系统，如旋转接触或筒系统(其中包含吸附剂的外壳是可移动的工艺)。

将注意的是，吸附器外壳A和B的平行六面体形状允许致密、均匀地填充每个吸附器，而不必使用复杂的填充系统。

视情况而定，根据本发明的设备可以具有以下特征中的一个或多个：

-所述设备在压缩装置C与低温蒸馏单元D之间包括单个吸附单元。

-一组体积包括：

-内部部分，其包括：

-用于流体的引入和分布或回收的第一体积V1 7；

-第二体积V2 8和第三体积V3 9，其各自包括吸附剂块并且位于第一体积V1的两侧；以及

-包括两个体积V4和V5 11的自由部分，这两个体积用于流体的引入和分布或回收、位于内部部分的两侧并且在内部部分与吸附器外壳之间；

-其中内部部分相对于吸附器外壳的中平面对称地布置。

-第二体积V2和第三体积V3各自包括至少两个相邻的、包含不同的吸附剂的子体积，其中所有吸附剂相对于吸附器的中平面对称地布置。

-第一体积V1、第二体积V2和第三体积V3具有可密封地固定到吸附器外壳的顶壁和底壁的竖直壁。

-内部部分具有实心底端和/或实心顶端，并且第一体积V1、第二体积V2和第三体积V3具有可密封地固定到吸附器外壳的顶壁或实心顶端和吸附器外壳的底壁或实心底端的竖直壁。

-一组体积在吸附器外壳的底壁与实心底端之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

-一组体积在吸附器外壳的顶壁与实心顶端之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

-第一体积V1、第二体积V2和第三体积V3具有可密封地固定到吸附器外壳的至少一个横向壁的竖直壁。

-第一体积V1、第二体积V2和第三体积V3具有可密封地固定到与吸附器外壳的横向壁平行的至少一个实心板的竖直壁。

-一组体积在实心板与吸附器外壳的横向壁之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

-第二体积V2和第三体积V3各自包括多个(N个)(N在1与4之间，优选地N＝2)相邻子体积，并且这些体积中的每一个可以包含不同的吸附剂，所有的这些吸附剂相对于吸附器的中平面对称地布置；优选地，这些不同的吸附剂将通过流体-多孔竖直壁隔开。这些竖直壁然后可以如上可密封地固定到吸附器外壳的顶壁或实心顶端和吸附器外壳的底壁或实心底端。

-第二体积V2和第三体积V3在其顶端的整个长度上包括适用于防止潜在局部污染净化的空气的系统。

-第一体积V1和两个体积V4和V5具有使得能够引入和提取在吸附器中循环的不同流体的装置；优选地，这些流体的引入和提取装置是在平行六面体吸附器外壳的单面上。

本发明还涉及一种用于从包含选自水蒸气、二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的至少一种杂质的空气流中分离空气中所含气体的方法，该方法使用如以上所定义的设备并且包括以下相继步骤：

a)将该空气流压缩(1)至1.15巴绝对值与2巴绝对值之间的压力P1，

b)通过使用该TSA单元(2)进行吸附来净化所压缩的空气流，以便去除该空气流中包含的至少一种杂质，以及

c)使用该单元(3)通过低温蒸馏来分离该空气流的成分，

其中整个步骤b)在该压力P1下进行。

视情况而定，根据本发明的方法可以具有以下特征中的一个或多个：

-压力P1是在1.15巴绝对值与1.5巴绝对值之间、优选地在1.20巴绝对值与1.30巴绝对值之间。

-方法使用如上所定义的包括具有内部部分和自由部分的一组体积的设备，并且在步骤b)中，将空气流引入两个体积V4和V5，并且所净化的空气流从体积V1中取出。

-方法使用包括具有包括顶端或底端的内部部分、在端部与外壳之间的空间、和自由部分(这些部分如上所定义)的一组体积的设备，并且在步骤b)中，将空气流引入与体积V4和V5处于流体连通的空间，并且所净化的空气流从体积V1中取出。

-方法使用如上所定义的包括具有内部部分和自由部分的一组体积的设备，并且包括TSA单元2的再生的步骤d)，其中气体被引入体积V1中并且然后从两个体积V4和V5中取出。

-方法使用包括具有包括顶端或底端的内部部分、在端部与外壳之间的空间、和自由部分(这些部分如上所定义)的一组体积的设备，并且包括TSA单元2的再生的步骤d)，其中气体被引入体积V1中并且然后从与体积V4和V5处于流体连通的空间中取出。

图2[Fig.2]是空气分离单元的热部分的示意图。通过压缩机C将含有待去除的各种污染物的大气空气10压缩至1.5巴绝对值量级的压力P1，并将这种压缩的空气11引入TSA的一个吸附器(A1或A2)中。在净化之后，这种净化的空气12被送入单元的下游部分，该下游部分特别地包括低温分馏单元D。再生气体14来源于此分馏单元。该再生气体在接近大气压的低压下通常是不纯的氮气(即含有氩气和氧气)。这种气体-或这种气体部分在加热步骤期间使用一个或多个热交换器(蒸汽、电、通过从其他流体中回收热量等)加热，并且然后用于冷却吸附器。输出13、在考虑的情况下通常是不纯的氧气(90％-98％)被送到未示出的下游单元。

根据本发明的另一个要点是流体水平地循环穿过吸附剂块。因此，该块可以保持在两个气体-多孔的竖直壁之间，这两个竖直壁的间距公差可以非常小。因此可以获得非常薄、非常均匀的床厚度。如已经指出的，通过具有大的自由表面的平坦吸附剂床实际上不可能达到这种精度水平。

同样，通过这种几何配置，可以容易地实现致密、均匀地填充吸附器，而不必使用复杂的填充系统。

还将注意的是，在本发明的情况下，入口/出口区中的气体循环同样还可以是竖直的、水平的或者甚至更复杂的(例如具有多个入口点)。在任何情况下，在分布后循环必需水平地穿过吸附剂层。由于吸附器的设计，循环方向在自由体积中和穿过吸附剂块是完全不相关的。

图3[Fig.3]展示了根据本发明的设备中使用的一组体积的布置的实例。外部吸附器外壳1以细线示出，而一组体积的内部部分(内部部分)2任意地以粗线示出。吸附器外壳基本上是平行六面体的。“基本上平行六面体的”意指在实际中，吸附器外壳和内部部分具有六个平坦面，并且具有面呈直角的平行六面体的外观，但是可以有加强件，局部地有至少一个内部或外部绝缘层，并且显然地有用于引入和取出空气和再生气体的管道或箱。将吸附器平放在地面上处于其操作位置，并且其长度表示为L，宽度表示为l、且高度表示为H。在本发明的上下文中，这些是外部尺寸还是内部尺寸并不重要。

因此，所使用的每个平行六面体都通过其三维尺寸来定义，即对于外部吸附器外壳是H*L*l，而对于内部部分是H'*L'*l'。因此，水平面、底板和顶板由其尺寸L*l和L'*l'(例如，附图标记3)来标识。更大的竖直面分别被标识为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)。其他较小的竖直面则表示为H*l和H'*l'(例如，附图标记6)。

形成内部部分的平行六面体H'*L'*l'本身被分为三个都是平行六面体的子体积。中心体积V1 7是适合于流体循环的自由体积。V1的两侧是容纳在两个平行六面体V2和V3(8和9)中的吸附剂块。内部部分相对于其竖直中平面是对称的，该竖直中平面在吸附器简图的右边示意性地示出并且具有附图标记10。此中平面10也是吸附器外壳的中平面。因此，吸附器整体具有对称平面10。因此，吸附剂块中的每一个将处理50％的空气流并且通过50％的再生气体流进行再生。所有流体水平地循环穿过吸附剂、穿过为仅有的多孔面的面H'*L'。这种循环从内部部分的中心自由体积V1朝外壳的自由体积V4和V5(例如，附图标记11)进行，反之亦然。

在图3中采用的布置中，内部部分与外壳的长度相同(L'＝L)，但较短(H'<H)。所述内部部分的顶面与外壳的顶面邻接，即它们具有共同的顶板。因此，在内部部分的底板与外壳的底板之间存在使体积V4和V5处于流体连通放置的空间，这个组件则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。下面将描述其他选择。因此，图3仅仅是根据本发明的吸附器的可能配置的非限制性实例，其被选择来阐释实施例原理。

根据优选变体，内部部分的体积V2和V3各自包括多个(N个)(N在1与4之间，优选地N＝2)相邻子体积，并且这些体积中的每一个可以包含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平面对称地布置。非常普遍地，不同的吸附剂通过流体-多孔竖直壁(H'*L')隔开，这些流体-多孔竖直壁保持吸附剂并且防止它们混合。然而，将注意的是，可以将不同的吸附剂放在具有可移动的壁的位置，该可移动的壁在填充期间逐渐升高并且当适当时、在结束时去除或留在原位。

在本发明的正文中，将使用例如第一吸附剂，该第一吸附剂适用于去除大部分水和任选的一些CO2(活性氧化铝、硅胶、掺杂的氧化铝等)，以及第二吸附剂，该第二吸附剂适用于去除剩余的CO2、氮氧化物和某些碳氢化合物(X沸石，优选地特别用钙和/或钡交换的)。同样可以使用单个床(掺杂的氧化铝、X沸石)或三个连续床(例如氧化铝、X沸石、交换型沸石)。

在图4[Fig.4](其是竖直地切割成一半的吸附器的侧视图)中的截面4A中示意性地示出的第一配置中，生产吸附器使得相对于吸附剂体积的竖直壁(H'*L')在顶部和底部分别可密封地固定到吸附器外壳的顶壁和底壁。这种配置简单并且给组件提供了刚度，但必须检查操作条件是否导致过度的机械应力。这将主要取决于所使用的材料、壁之间的固定类型、和再生期间所使用的温度。此温度取决于所使用的吸附剂、可用的再生流量和对于设计所选择的吸附剂中的残余杂质含量。例如，在再生温度为60℃至90℃的情况下，此种配置可以是可能的。在温度为150℃至250℃的情况下，将不太易于实施此种配置。

将注意的是，为了简单起见，已经示出了吸附剂的单个床。在大多数的情况下，每侧将有适用于隔开两种不同的吸附剂的中间多孔壁。

对于与温度相关的任何问题，可能需要提供一定的自由度，以允许保持吸附剂的多孔竖直壁的竖直移动。

根据其他实施例，由此生产吸附器使得吸附剂体积的竖直壁(H'*L')在顶部可密封地固定到吸附器外壳的顶壁并且在底部可密封地固定到实心端部-或底板(其从一个吸附剂体积的外部壁到另一个体积的外部壁)，如截面4B所示。

然后可以看出，在所述实心端部与吸附器外壳的底壁之间存在空间，该空间形成与两个横向自由体积(V4和V5)处于流体连通的附加自由体积并且有助于形成吸附器的自由体积。

在反向配置(截面4C)中，吸附剂体积的竖直壁(H'*L')在顶部可密封地固定到实心端部-或顶板(其从一个吸附剂体积的外部壁到另一个体积的外部壁)，并且在底部可密封地固定到吸附器外壳的底壁，并且然后在所述顶板与吸附器外壳的顶壁之间存在空间，该空间形成与两个横向自由体积(V4和V5)处于流体连通的附加自由体积V2d并且有助于形成吸附器的自由体积。

最后，根据另一个实施例(4D)，吸附剂体积的竖直壁(H'*L')在顶部和底部可密封地固定到实心端部-分别为顶板和底板(其从一个吸附剂体积的外部壁到另一个体积的外部壁)，并且在底部可密封地固定到从吸附器外壳的底壁。在这种情况下，在所述顶板与吸附器外壳的顶壁之间以及所述底板与此同一外壳的底壁之间存在空间，该空间形成与两个横向自由体积(V4和V5)处于流体连通的附加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支撑件(例如在底部部分上)或悬挂系统(例如在顶部部分上)来改善。这些保持装置可以具有一定的灵活性，以便遵循与以上提及的热膨胀和收缩相关的任何移动。所述装置优选地可以是离散的或至少不连续的，并且不阻止流体从一个区到另一个区的通过。

同样，关于内部部分的横向壁(H'*l')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横向端在其整个高度(H')上可密封地固定到吸附器外壳的横向壁(H*l)。

根据第二实施例，至少在一侧，吸附剂体积的竖直壁的横向端在其整个高度(H')上可密封地固定到实心板(H'*l')。

图5[Fig.5]示意性地示出了一系列纵向截面。以粗线任意地示出的内部部分被假定通过其顶部部分固定到外壳，但具有其自己的底板。截面5A示出了通过其两个横向侧面与外壳邻接的内部部分，截面5B示出了通过单个侧面与外壳邻接、另一个通过平端封闭的内部部分，并且截面5C示出了具有其自己的两个端部的内部部分。

如上所述，固定到内部部分与的每个实心板与吸附器外壳的相邻横向壁之间存在空间，该空间形成与两个横向自由体积(V4和V5)处于流体连通的附加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到两个吸附剂块中的每一个的流之间的良好平衡。此外，这些自由体积可以使得能够容纳非常高效的分布系统，从而允许几乎完美地分布穿过吸附剂的所有流。下面将给出这种类型的器件的实例。

根据优选变体，含有吸附剂块的体积V2和V3在其顶端的整个长度上包括适用于避免净化的空气的与旁路或局部过量流动或再生故障相关的局部潜在污染的系统。

由于流体在吸附器中水平地循环，径向吸附器受到一些对其特定的限制，并且特别是需要避免吸附器的顶部部分中的杂质的过早突破。所述突破可以来源于旁路或局部过量空气流动和/或再生故障。

旁路可以来源于吸附剂的压实。这些问题对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且在此可以应用先前开发的解决方案。特别地，由于几何形状，使用平行六面体吸附器简化了为径向床(用吸附剂填充至足够高度的死区，与锥体等效的系统等)设计的解决方案的实施。同样，必须注意的是，填料也被简化，并且在此通过喷洒容易获得致密、均匀的填充，从而既限制了压实又限制了床中密度不均匀的风险。由于简单的几何形状，例如可以使用气球，其充气至大于P1的压力，在吸附剂的自由表面上形成密封。通过相对于操作压力的轻微超压，膜也可以永久地施加到吸附剂的自由表面。此超压可以来源于流体，例如仪表空气或重质材料。同样，必须对针对文献或提交的专利中描述的用于通过吸附产生氧气的单元的径向吸附器开发的解决方案进行调整。这些解决方案之一更详细地描述于本文件末尾给出的实例。

由于在顶部部分中密封系统的实施以及填充被简化，以其最常见的形式(即条、珠粒、粉碎材料、粒料和更普遍地颗粒)使用吸附剂将优选被应用。然而，必须注意的是，平行六面体床的几何形状特别良好地适用于以砖形式的整块的使用。尽管这种解决方案目前在技术上和经济上看起来并不有益，但它可以在未来有利地使用。

目前，方法中使用的至少一种并且优选所有的吸附剂将呈颗粒的形式。

考虑到吸附器所采用的几何形状，根据本发明的方法将使得内部部分的中心体积V1和外壳的自由体积二者具有使得能够引入和提取在吸附器中循环的不同流体(待净化的空气，旨在用于低温分离单元的处理的空气，来源于所述单元的再生气体、非常普遍地为低压氮气)的装置。

更具体地说，具有其任选的平端的外壳中的内部部分的布置以及使得能够引入和提取在吸附器中循环的不同流体的装置的布局要求所述流体仅水平地循环穿过所述吸附器的入口和出口之间的吸附剂块。

如在旨在从流体中去除几乎所有的杂质的所有吸附器中一样，必须确保通过应用合适的技术(焊接、凸緣、垫圈等)元件之间的连接是流体-密封的。

根据优选布置，待处理的空气经由体积V4和V5进入并且净化的空气经由体积V1离开，并且因此，再生气体经由体积V1进入并且经由体积V4和V5离开。这种布置的益处来自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工艺。不希望在此详细叙述，应知道在这种类型的单元中，在再生期间通常仅输入杂质解吸所严格必需的热量，使得热峰(heat front)不离开吸附剂。对于加热时间的控制的更全面的解释，在这方面可以例如参考EP 1080773。这意味着整个(或几乎整个)外部外壳的温度保持在接近进入的空气的温度，并且热峰只穿过内部部分。在内部部分的一个面与外壳壁邻接或与其非常接近的配置中，可以有益的是使用绝缘装置以便限制热传递。这些装置可以在内部部分的一侧，和/或在外壳的一侧和/或任选地在内部部分与外壳之间。这种绝缘并不总是必需的，特别是在大量再生气体流存在的情况下。在这种情况下，显著低于100℃、50℃至80℃的量级的再生温度是可接受的。在这种情况下，热损失将自然地是低的，并且与膨胀相关的热应力将受到限制。相反地，使用150℃及以上的再生温度将需要对产生的应力进行更详细的检查。取决于待净化的空气的入口的位置，并且特别地如果所述空气已基本上被冷却以便促进杂质的吸附，则可以任选地对吸附器的某些部分进行隔热，以便维持此优点。

根据优选实施例，内部部分的中心体积V1包括使得能够在将净化的空气输送至低温分离单元之前处理所述净化的空气的过滤器。此过滤器使得能够去除由一种或多种吸附剂产生的任何灰尘。此过滤器将优选地是自清洁的，即再生气体将反向地穿过该过滤器并且移去前一步骤期间捕获的任何灰尘。然后，通常在低点处存在放气阀，其使得能够定期地排放所述灰尘。此过滤器可以以多种方式生产。取图5B中的布置，图6[Fig.6]示出了这些选择中的一些。这些是沿吸附器的对称中平面的截面。附图标记(20)对应于外壳，(21)对应于内部部分，(22)对应于净化的空气出口和再生气体入口管道，(23)对应于此管道可密封地穿过外壳的自由体积的部分，(24)对应于此管道属于内部部分的部分，并且(25)对应于一个或多个过滤区。

管道和过滤器以粗线示出。管道的截面可以是任何形状(圆形、三角形、矩形等)。

在图6A中，管道本身穿过用作过滤器的自由体积V1(26)。在此区中，该管道例如是穿孔的并且被允许过滤至50微米的织物环绕。该管道的延伸部中也可以固定商用过滤器，当该延伸部出现在体积V1中时该延伸部停止。管道或商用过滤器可以具有锥形内部填料元件，以便改善流体在其整个长度上的分布。

在如图6B所示的情况下，使用固定到管道(24)的多个商用过滤器(25)。这可以使得能够通过在自由体积V1中分布流体注入点来改善流体穿过吸附剂块的分布。最后，在图6C中，高效的流体分布系统与过滤相关联。将注意的是，此种分布系统可以独立于过滤功能安装。两个穿孔壁可以安装在竖直中平面的两侧、自由体积V1中并且安装在距与保持吸附剂的多孔壁一定距离处。通过产生附加的压头损失，此系统可以允许气体几乎完美地分布在吸附剂块中。

在另一优选配置中，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装置是在平行六面体吸附器外壳的单面(H*l)上。这使得能够将所有吸附器入口和出口聚集在一起，以便有利于与吸附器本身以外的装备(阀门、交换器等)进行连接。

图7[Fig.7]示出了这样的布局。再次应用图5B中的布置，即内部部分通过其顶面和一侧与外壳邻接，其中简单管道进入自由体积V1，如图6A所示。使用与此截面中相同的附图标记。在图7A中，该图是沿着吸附器竖直中平面的截面，待净化的空气通过管道27到达并进入吸附器外壳。内部部分的端部28用作导流板，并且将空气流分布在外壳壁与所述端部之间的自由体积29中。图7B是展示了吸附器中空气循环的示意性俯视图。在自由体积29中循环之后，空气进入两个自由体积V4和V5(由附图标记30标识)，穿过保持吸附剂的多孔壁，然后穿过吸附剂块，穿过中心多孔壁返回，进入排放管道并离开吸附器22。

最常规的TSA净化单元包括两个相同的吸附器，一个在生产阶段，而另一个在再生阶段。然后通过一组阀门引导并且从吸附器中提取各种气流，这组阀门使得能够按照所使用的方法进行净化循环。所有这些元件都是通过管道连接。阀门、管道和其他辅助装备，如仪表、连接电缆、仪表空气入口等，经常由单一结构(通常称为“滑阀”)支撑。

根据本发明，所实施的TSA单元在中心区的两侧包括如上所述的两个对称安装的吸附器，其中它们的入口/出口面向中心区，并且所述中心区包括用于分配或回收工艺的各种流的装置，如阀门、管道等，即此中心区与已命名的滑阀相对应。

在优选的变体实施例中，这两个吸附器和中心区的滑阀是对齐的并且形成具有高度Ht和宽度lt的单个大平行六面体，并且其长度Lt等于两个吸附器的长度和中心区的长度之和。

更具体地，提供了此大平行六面体的高度Ht基本上等于一个吸附器的高度H，并且其宽度lt基本上等于一个吸附器的宽度l。因此，获得了可以形成整体的压实单元，并且其全部益处将在下文中披露。图8[Fig.8]以粗线示出了大平行六面体40，该大平行六面体与整个净化单元相对应并且包括如上所述的第一吸附器41(其中其入口和出口穿过其横向侧面44)。相反侧是第二吸附器42，其与第一吸附器对称地生产并且其入口和出口穿过其横向侧面(由附图标记45标识)。中心部分43与滑阀相对应，其作用如上所解释。

在另一优选实施例中，中心部分还包含再生加热器。根据净化所应用的方法，所述中央部分还可以容纳待净化的空气的后冷却器和用于分离并然后去除冷凝物的分离器容器，使得所有与“空气净化”功能相对应的装备呈大的平行六面体。

生产如上所述的空气净化单元的益处涉及不同部件(两个吸附器和滑阀)具有至少一个公用基座并且能够例如将该公用基座在车间构造后作为整体运输的可能性。为此并取决于相关联的空气分离单元的尺寸，包括两个吸附器和中心区的平行六面体因此具有在3与12米之间的长度，在1与3米之间的高度H，和在1与3米之间的宽度l。

由于其尺寸，TSA可以具有以下附加特征：

-包括两个吸附器和中心区的平行六面体包含在这样的结构中，该结构符合与容器有关的ISO标准并且还包括符合这些ISO标准的搬运系统(经常被称为“ISO拐角”)。TSA则处于有待在车间生产的特定结构中，该结构可以任选地使用标准ISO容器的一部分。符合ISO标准的益处在于它非常有助于搬运和运输。使组件具有机械抗压性的任何加强件将包含在容器的标准尺寸内。

-包含两个吸附器和中心区的平行六面体包含在ISO容器中。

-容器的结构的至少一部分直接用作吸附器和/或中心区的结构。

TSA的外部结构则是实际的容器。容器的至少一个壁(横向壁、底壁或顶壁)可以直接用作外部吸附器外壳的壁。优选地，以这种方式使用容器的若干个壁。

考虑到净化中起作用的低压和在一些情况下保持接近环境温度的温度，可以将各种材料用于TSA。这些材料主要是金属材料(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如因瓦合金(Invar)。构造将全部在车间中进行，其中仅在现场进行不同流体的连接。吸附剂填充将也优选地在车间中进行。

现将使用以下实例说明本发明。

该实例涉及使用15,000Nm3/h的空气流量生产100t/d(吨/天)的量级的氧气生产单元。离开第一压缩级时的压力P1是1.3巴绝对值。此空气通过制冷单元冷却至3℃，以便限制携带至净化的水蒸气的量并降低吸附温度。在此，此温度处于所使用的温度水平的低范围内。选择此温度主要是因为P1的值低。可以采用5℃至8℃、或甚至更高的温度，特别是如果压力P1稍高时。最后的决定是基于通用成本分析。应用的吸附时间为150分钟，考虑到净化单元通常包括两个吸附器，一个在生产中而另一个在再生中，产生了5小时的循环时间。在此，可以减少这些常规的时间。应用的低温工艺产生了可以用于再生的大量废气流动的可用性，这将有可能使得能够缩短通常的加热和冷却时间。此外，考虑到相应的生产压力(1.3巴绝对值)和再生压力(1.03巴绝对值)，减压和再加压步骤几乎是不必要的。然而，活性氧化铝和沸石床的小厚度(0.25m量级)并没有产生进一步采用的可能优化。可以设想生产时间为120分钟、90分钟或甚至60分钟，其中待净化的空气任选地在高于本实例中应用的3℃的温度下引入。考虑到在低压下压头损失所涉及的大量能量，可以设想基于贯穿整个所述步骤中的压头损失的优化来安装用于调节再生流量的元件。换言之，当吸附器相对较冷时，例如在加热开始和冷却结束时，采用较高的流量流量；并且反之，当吸附器平均而言最热时，采用较低的流量。以更简单的方式，可以在冷却期间应用第一加热流量和第二较高流量，或者以稍微更复杂的方式，例如再生时间可以随着流量变化被分成三或四个步骤(加热开始/加热-冷却开始/冷却结束)。

吸附剂的总体积为6m3的量级，在实际中在活性氧化铝与用钙和钡交换的沸石X之间对半分，该沸石是用于捕获痕量的碳氢化合物和氮氧化物的特别有效的吸附剂。

根据本发明，每个吸附器是平行六面体的，其中长度L等于大约3m，高度H等于大约3m，并且宽度l等于大约2.00m。图9[Fig.9]示出了所述吸附器的透视截面。中心中是适用于分布流体50的体积V0，该体积具有净化空气出口和再生气体入口管道51。穿过吸附器的此管道的底部部分是打开的，并且与过滤器52连通。此过滤器也用作分流器。过滤器的两侧是保持沸石床的第一多孔壁53。沸石床54是大约0.25m深(宽)。该沸石床通过第二多孔壁55与活性氧化铝隔开。氧化铝床56是大约0.25m宽。该氧化铝床由最后的多孔壁57保持，该多孔壁使该氧化铝床与外壳的自由体积隔开。

吸附剂工作高度为2.1m。防污染系统58在顶部部分设置有吸附剂储备59以便补偿压实，并且设置有一系列的管60，分别用于用活性氧化铝和沸石填充吸附剂体积。在此应用的防污染系统是直接从为径向吸附器开发的解决方案转换的。不作详细叙述，可以说该防污染系统是向上倾斜的金属板58，其沿着一侧焊接到多孔壁上并且在另一侧上留有几厘米的空间以允许吸附剂颗粒流动。

必须想象管道穿过的地方有实心壁(未示出)，该实心壁将内部部分与外部外壳的自由体积分离开。待净化的空气被引入在外壳壁的中心中的外壳中，并且撞击刚才提到的实心壁(未示出)。此实心壁用作导流板，并且确保在所有方向上分布。以上描述了流体循环的实际原理。

如最初所述，这种净化单元位于低温空气分离单元的上游。此单元特别地可以良好地适用于低压氧气生产，并且尤其适用于纯度在90％与98％之间的不纯氧。

考虑到在这种情况下为了充分利用本发明的原理而设置的足迹限制，这种TSA将仅适用于最大几百吨的氧气生产。然而，使用这种类型的若干个TSA模块来供给更大的低温单元可能是具有成本效益的。这些模块然后可以并联运行或者如果有益的话，以相位偏移运行。

本申请中描述的方法仅限于所述用途，即空气中所含气体的分离。然而，本文所述类型的并且在低压(例如，1.10至1.5巴绝对值的量级)下操作的吸附器的原理可以具有其他应用，特别是在CO2捕获的领域中。

根据本发明的设备还使得能够有竞争力地生产小单元，即每天从几十吨到几百吨的氧气。压缩装置1然后可以被任选地不同类型(用于燃烧、用于通风等的增压空气)的若干单元共用。

Claims

1.一种用于分离空气中所含气体的设备，该设备在空气流的循环方向上包括：

-压缩装置(C)，其使得能够将该空气流压缩至1.15巴绝对值与2巴绝对值之间的压力P1，

-TSA单元(A)，以及

-低温蒸馏单元(D)，

其中该吸附单元包括至少两个吸附器A1和A2，每个吸附器具有水平布置的平行六面体外壳并且包括：

-空气流入口和出口，

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备在该压缩装置(C)与该低温蒸馏单元(D)之间包括单个吸附单元。

3.如权利要求1和2之一所述的设备，其特征在于，该组体积包括：

a)内部部分，其包括：

-用于流体的引入和分布或回收的第一体积V1(7)；

-第二体积V2(8)和第三体积V3(9)，其各自包含吸附剂块并且位于该第一体积V1的两侧；以及

b)包括两个体积V4和V5(11)的自由部分，这两个体积用于流体的引入和分布或回收、位于该内部部分的两侧并且在该内部部分与该吸附器外壳之间；

其中该内部部分相对于该吸附器外壳的中平面对称地布置。

4.如权利要求3所述的设备，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的、包含不同吸附剂的子体积，其中所有的这些吸附剂相对于该吸附器的中平面对称地布置。

5.如权利要求3和4之一所述的设备，其特征在于，该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有可密封地固定到该吸附器外壳的顶壁和底壁的竖直壁。

6.如权利要求3和4之一所述的设备，其特征在于，该内部部分具有实心底端和/或实心顶端，并且该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有可密封地固定到该吸附器外壳的顶壁或该实心顶端和该吸附器外壳的底壁或该实心底端的竖直壁。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，该组体积在该吸附器外壳的底壁与该实心底端之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，该组体积在该吸附器外壳的顶壁与该实心顶端之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

9.如权利要求3至8之一所述的设备，其特征在于，该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有可密封地固定到该吸附器外壳的至少一个横向壁的竖直壁。

10.如权利要求3至8之一所述的设备，其特征在于，该第一体积V1、该第二体积V2和该第三体积V3具有可密封地固定到与该吸附器外壳的横向壁平行的至少一个实心板的竖直壁。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该组体积在该实心板与该吸附器外壳的横向壁之间包括与体积V4和V5处于流体连通的空间。

12.一种用于从包含选自水蒸气、二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的至少一种杂质的空气流中分离空气中所含气体的方法，该方法使用如权利要求1至11之一所定义的设备并且包括以下相继步骤：

c)使用该单元(3)通过低温蒸馏来分离该空气流的成分，

其中整个步骤b)在该压力P1下进行。

13.如权利要求12所述的用于分离空气中所含气体的方法，其特征在于，该压力P1是在1.15巴绝对值与1.5巴绝对值之间、优选地在1.20巴绝对值与1.30巴绝对值之间。

14.如权利要求12和13之一所述的用于分离空气中所含气体的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求3至11之一所定义的设备，并且在步骤b)中，将该空气流引入这两个体积V4和V5，并且所净化的空气流从体积V1中取出。

15.如权利要求12和13之一所述的用于分离空气中所含气体的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求7和8之一所定义的设备，并且在步骤b)中，将该空气流引入与体积V4和V5处于流体连通的空间，并且所净化的空气流从体积V1中取出。

16.如权利要求12和13之一所述的用于分离空气中所含气体的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求3至11之一所定义的设备，并且包括该TSA单元(2)的再生的步骤d)，其中该气体被引入体积V1中并且然后从这两个体积V4和V5中取出。

17.如权利要求12和13之一所述的用于分离空气中所含气体的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求7和8之一所定义的设备，并且包括该TSA单元(2)的再生的步骤d)，其中该气体被引入体积V1中并且然后从与体积V4和V5处于流体连通的空间中取出。