CN113908661A - 一种立式径向流吸附器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式径向流吸附器，包括筒体、下封头、上封头，下封头上设置有气体进气管，上封头上设置有气体出气管和吸附剂的装入口。在吸附床层和容器轴线间布有一两端开口的圆筒形隔板，该圆筒形隔板用来限制径向穿过床层轴向高度H以上区域内的空气，使其在流出吸附床层后沿圆筒形隔板形成一个Π形流动；其它区域空气保持原来的Z形流动。本发明实现了床层内部具有混合流动形式的立式径向流吸附器，且其所具有的可视化结构可外接粒子图像测速系统，以对其内的空气流速分布进行测量，实现气流径向均匀分布，空气在这种结构内部流动其流场会更加均匀，使得吸附剂利用率提高，相比于常规立式径向流吸附器具有更大的优越性。

Description

一种立式径向流吸附器

技术领域

本发明涉及气体净化及分离领域，尤其涉及一种径向流吸附器。

背景技术

采用低温法分离空气时，空气在进入精馏塔之前，必须除去其中的水蒸气，二氧化碳和乙炔等杂质气体，避免在后续过程中发生管道堵塞和设备爆炸等事故，给工业生产带来巨大的经济损失。径向流吸附器的作用就是清除空气中的杂质气体，保证空分装置长期安全、可靠地运行。立式径向流吸附器相比于传统的轴向流吸附器具有较低的床层压降，较小的占地面积和再生能耗，更适用于大型空分系统中。

根据流动形式划分，立式径向流吸附器可分Z型和Π型两种形式：当空气在分流流道和集流流道中的流动方向相同时为Z型；反之则为Π型。Z型径向流吸附器的优点在于其将空气的进口管和出口管放置在容器的对置端，有利于减少连接在容器上的外部管道和吸附器的成本。Π型径向流吸附器的优点在于，当吸附器的分流流道长度较短且空气流通横截面积较大时(流道长度较长或是横截面积较小都会造成空气的摩擦阻力损失较大，在工程中应该避免)，空气沿吸附床层轴向的分布相比于Z型径向流吸附器更加均匀，吸附剂的利用率更高。

欧洲专利申请书97112520.8公开了一种新的Z型径向流吸附器，该结构中空气的进口管和出口管设置在容器的对置端，通过在吸附器的集流流道内布置一个圆筒形导流板，使得全部空气在径向穿过吸附床层后沿导流板流动，形成一个П形(U形)的流动。中国专利1196272公开了另一种Z型径向流吸附器，该结构同样保持空气的进口管和出口管在容器的对置端，通过在吸附器的分流流道内布置一个长环形的隔板来实现全部或绝大部分空气的П形(U形)流动。

上述专利对于提高径向流吸附器的吸附效率，减低吸附器的成本具有重要意义。然而，Π型流动结构虽然相比于Z型流动结构(空气流入吸附床层下端流量低，上端流量高)具有更好的气流分布，但是也存在一定程度的空气流入吸附床层下端流量高而上端流量低的不均匀分布。

在径向流吸附器中，空气沿吸附床层轴向的分布取决于床层两侧的径向压降。当床层两侧的径向压降沿轴向保持不变时，通常情形下空气在床层内能够实现均匀分布。

目前国内的专利申请说明书均未涉及一种可视化的立式径向流吸附器，空气在同一吸附床层内的流动为Z型与П型相结合的混合流动。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能解决径向流吸附器中空气分布不均匀等问题，从而提高床层内部吸附剂的利用率，降低投资和运行成本的一种用于去除空气中的水蒸气，二氧化碳和乙炔等杂质的可视化的立式径向流吸附器。

根据本发明一实施例提出一种立式径向流吸附器，包括：筒体、下封头、上封头、气体进口管、气体出口管、内多孔管、外多孔管、吸附床层、两端开口的圆筒形隔板、形成于外多孔管和筒体侧壁之间的分流流道，其中所述筒体、外多孔管、内多孔管和圆筒形隔板由外向内依次按同心圆布置，所述圆筒形隔板的顶端与气体出口管相连。

根据本发明又一实施例提出一种立式径向流吸附器，包括：筒体、下封头、上封头、气体进口管、气体出口管、颗粒层、内多孔管、外多孔管、吸附床层、悬浮底板、下封头内壁面与悬浮底板的交界面上的第一丝网、气体进口管上的第二丝网、一两端开口的圆筒形隔板和形成于外多孔管和筒体侧壁之间的分流流道，第一丝网及第二丝网形成的颗粒层内填充颗粒物，其中所述筒体、外多孔管、内多孔管和圆筒形隔板由外向内依次按同心圆布置，空气由气体进口管流入，经颗粒层整流，由分流流道轴向向上流动，径向穿过吸附床层后，由气体出口管流出，形成Z型与П型相结合的混合流动。

本发明的特点在于：设置一个两端开口的圆筒形隔板将集流流道的上部区域划分为两个通道，与内多孔管相邻的狭窄通道，用于强制将径向穿过吸附床层轴向高度H以上区域后的空气沿圆筒形隔板向下流动，形成一个Π形的流型；与气体出口管连通的通道，用于将径向穿过吸附床层轴向高度H以内区域的空气及绕圆筒形隔板端部倒流的空气混合排出。可视化窗口可用于对吸附器内的气流分布进行测量和研究。经过流场计算，这种结构的吸附器其吸附床层两侧的径向压降沿床层高度方向的变化较小，空气在这种结构的吸附器内部分布会更加均匀，相比于常规的径向流吸附器具有更大的优越性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种立式径向流吸附器23的示意图。

图2是根据本发明实施例的立式径向流吸附器内的混合流动流场示意图。

图3是图2所示实施例中立式径向流吸附器沿A-A的剖视示意图。

图4是根据本发明实施例的立式径向流吸附器的可视化窗口的立体示意图。

图5是根据本发明实施例的可外接的粒子图像测速法测试系统(简称PIV系统)的框图。

图6分别为传统Z型吸附器和本发明图1所示的径向流吸附器的吸附床层两侧的径向压降沿床层轴向高度的分布图。纵坐标表示吸附床层上的径向压降，横坐标表示床层的轴向高度。

图7分别为传统Z型和本发明图1所示的一种径向流吸附器内径向速度沿床层轴向高度的分布图。纵坐标表示径向速度，横坐标表示床层的轴向高度，负号表示空气从床层外侧流入床层内侧。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件,但不限于元件结构必须完全相同。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1是根据本发明实施例的一种立式径向流吸附器23的示意图，包括筒体1、下封头2、上封头3、下封头2内壁面与悬浮底板11(例如刚性悬浮底板)的交界面上的第一丝网16、气体进口管4上的第二丝网15，下封头2和第一丝网16及第二丝网15形成的颗粒层17内填充颗粒物，下封头2上设置有一供空气流入的气体进口管4、上封头3上设置有一供空气流出的气体出口管5和吸附剂的装入口7、8，装入口7、8在筒体1正置和倒置两种情况下能够向其中加注或排出吸附剂，上封头3和筒体1之间可以通过法兰6进行连接。在一实施例中，下封头和上封头可以均呈半球形。在本发明的一实施例中，立式径向流吸附器23还可以包括可视化窗口21。

在本发明的一实施例中，所述外多孔管10和内多孔管9的顶端均与上封头3相连，由上封头3支承，两者均与悬浮底板11相连，支承悬浮底板11。上封头3、内多孔管9、外多孔管10及悬浮底板11形成一空间为吸附床层12；上封头3、筒体1、第一丝网16及外多孔管10形成一空间为分流流道13；上封头3及其气体出口管5、内多孔管9和悬浮底板11形成一空间为集流流道14。悬浮底板11与外多孔管10底端之间具有一定距离，使空气在进入分流流道13之后、进入吸附床层12之前有一段流动发展段，该流动发展段的存在能使空气流速分布充分发展，达到稳态流动。

在本发明的一个实施例中，可以在所述下封头2的空腔即颗粒层17内填充颗粒物，例如球形颗粒物，并在其与气体进口管4和分流流道13相接的地方布置第一丝网16和第二丝网15，防止颗粒漏出。颗粒层17可以用来消除气体由气体进口管4进入下封头空腔所产生的紊流，保证气体平稳流入分流流道13。

集流流道14内设置一个两端开口的圆筒形隔板18，它的顶端与气体出口管5相连，底端向筒体1内部延伸，延伸的长度约为吸附床层12高度的1/3～2/3。所述筒体1、外多孔管10、内多孔管9和圆筒形隔板18由外向内依次按同心圆布置。所述圆筒形隔板18将集流流道14上部区域划分为两个通道：与内多孔管9相邻的狭窄通道24和与气体出口管5连通的通道26。

图2是根据本发明实施例的立式径向流吸附器内的混合流动流场示意图。箭头19表示了空气在所述的筒体1内的流动路线。空气由气体进口管4流入，经颗粒层17整流，由分流流道13轴向向上流动，径向穿过吸附床层12后，由气体出口管5流出，形成Z型与П型相结合的混合流动。

在吸附床层12内，容器一轴向高度H以上区域内的空气沿圆筒形隔板18与内多孔管9形成的狭窄通道24向下流动，后绕圆筒形隔板18底部流动方向发生180度变化，由气体出口管5流出，形成一个Π形的流型；容器轴向高度H以内区域内的空气直接由集流流道14的下端汇聚，轴向向上流动并由气体出口管5流出，形成一个Z形的流型。以上两股流体流动构成一种混合流动型式(Π形的流型和Z形的流型混合)。

图3是图2所示实施例中立式径向流吸附器沿A-A的剖视图，所述筒体1壁面上安装有可视化窗口21(其外观立体图可以如图4示意图所示)，材料可以为透明有机玻璃，可视化窗口21的左端与筒体1的内壁面27相切，右端与外多孔管10的外壁面28相切，它与分流流道13相接的界面为与筒体1的内壁面27相切的圆弧形，可视化窗口21与筒体1通过钢板20和螺栓22进行固定连接。

图5是根据本发明实施例的可外接的粒子图像测速法测试系统(简称PIV系统)的框图。当需对吸附器内的分流流道13内的流场进行测量时可外接PIV系统。如图5所示实施例，PIV系统主要包括风机32、缓冲罐33以及测量系统36四部分。空气经风机32增压、缓冲罐33稳压后，与被气泵34驱动而注入系统的示踪粒子例如由示踪粒子发生器35产生的为玉米油雾状颗粒混合；携带有示踪粒子的空气流入立式径向流吸附器23后，可被直接从气体出口管5排出。

图5中的风机32用于提升吸入空气的压力，以克服空气在后续管道内的流动阻力。风机32的进口与大气连通，用来吸入空气；出口通过第一阀门30与缓冲罐33进口连接。第二阀门29和第一阀门30两者配合调节进入吸附器23内的空气流量。流量计31进口与缓冲罐33出口连接，流量计31出口与立式径向流吸附器23的进口相连，用来测量流入吸附器23内的空气流量。气泵34出口与示踪粒子发生器35进口相连，用气泵34中的压缩空气将示踪粒子从示踪粒子发生器35中压出去与流量计31出口的空气混合，一起进入立式径向流吸附器23的入口。测量系统36可通过自带的相机透过可视化窗口21对分流流道13内的流场进行连续拍照，经过测量系统36自带的软件计算可得到分流流道13内的速度场。

由图6可以看出，在Z型立式径向流吸附器中，吸附床层两侧的径向压降随床层高度的增加而迅速增加，径向压降范围在19～2138Pa。而本发明图1所示的径向流吸附器，其吸附床层12两侧的径向压降沿轴向高度先增大后减小，径向压降范围在52～581Pa，最大值远小于Z型立式径向流吸附器的。

由图7可以看出，在Z型立式径向流吸附器中，空气流入吸附床层呈现下端径向速度小而上端径向速度大的不均匀分布，径向速度范围在0～-1.68m/s。而本发明图1所示的径向流吸附器，空气流入吸附床层12的径向速度沿床层高度分布趋于一致，吸附床层内的空气分布较为均匀，径向速度范围在0～-0.99m/s。

由于气体在分流流道和集流流道中的流动均为变质量的流动，其流道的压力变化项由摩擦阻力项和变质量引起的动量交换项组成。在集流流道中，动量交换项和摩擦阻力项对空气静压的影响相同，总是使流道的静压趋于下降。在分流流道中，它们两者对空气静压的影响相反，可相互抵消一部分作用，即分流流道的静压变化相比于集流流道的静压变化要小得多。因此，对于Z型立式径向流吸附器，吸附床层两侧的径向压降会出现下端小而上端大，从而导致空气流入吸附床层下端径向速度小而上端径向速度高。对于Π型立式径向流吸附器型，吸附床层两侧的径向压降会出现下端大而上端小，从而导致空气流入吸附床层下端径向速度大而上端径向速度小。

本发明的一种可视化的立式径向流吸附器中，吸附床层下端的空气流动形式为Z型，上端的空气流动形式为Π型，相比于单一的Z型和Π型立式径向流吸附器，具有更好的气流分布。并且可视化的结构设计，有利于观测和深入研究立式径向流吸附器内的空气分布。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种立式径向流吸附器，包括：筒体(1)、下封头(2)、上封头(3)、气体进口管(4)、气体出口管(5)、内多孔管(9)、外多孔管(10)、吸附床层(12)、两端开口的圆筒形隔板(18)、形成于外多孔管(10)和筒体(1)侧壁之间的分流流道(13)，其中所述筒体(1)、外多孔管(10)、内多孔管(9)和圆筒形隔板(18)由外向内依次按同心圆布置，所述圆筒形隔板(18)的顶端与气体出口管(5)相连。

2.根据权利要求1所述的立式径向流吸附器，还包括：悬浮底板(11)，其中所述外多孔管(10)和内多孔管(9)的顶端均与上封头(3)相连，底端连接悬浮底板(11)，所述圆筒形隔板(18)的底端向筒体(1)内部延伸，与悬浮底板(11)之间存在集流流道(14)。

3.根据权利要求2所述的立式径向流吸附器，其中悬浮底板(11)与外多孔管(10)底端之间具有一固定距离，使空气在进入分流流道(13)之后、进入吸附床层(12)之前有一段流动发展段。

4.根据权利要求1所述的立式径向流吸附器，其中所述圆筒形隔板(18)的底端向筒体(1)内部延伸，延伸的长度为吸附床层(12)高度的1/3～2/3。

5.根据权利要求1所述的立式径向流吸附器，其中空气由气体进口管(4)流入，经颗粒层(17)整流，由分流流道(13)轴向向上流动，径向穿过吸附床层(12)后，由气体出口管(5)流出，形成Z型与П型相结合的混合流动。

6.根据权利要求5所述的立式径向流吸附器，在吸附床层(12)内，容器一轴向高度以上区域内的空气沿圆筒形隔板(18)与内多孔管(9)形成的狭窄通道(24)向下流动，后绕圆筒形隔板(18)底部流动方向发生180度变化，由气体出口管(5)流出，形成一个Π形的流型；容器所述轴向高度以内区域内的空气直接由集流流道(14)的下端汇聚，轴向向上流动并由气体出口管(5)流出，形成一个Z形的流型。

7.根据权利要求1所述的立式径向流吸附器，还包括：筒体(1)壁面上安装的可视化窗口(21)，可视化窗口(21)的左端与筒体(1)的内壁面(27)相切，右端与外多孔管(10)的外壁面(28)相切，它与分流流道(13)的交界面为与筒体(1)的内壁面(27)相切的圆弧面。

8.根据权利要求1所述的立式径向流吸附器，还包括粒子图像测速系统，所述粒子图像测速系统包括风机(32)、缓冲罐(33)以及测量系统(36)，空气经风机(32)增压、缓冲罐(33)稳压后，与被气泵(34)驱动而注入系统的示踪粒子混合，携带有示踪粒子的空气流入所述立式径向流吸附器(23)后，被直接从气体出口管(5)排出。

9.根据权利要求8所述的立式径向流吸附器，其中所述风机(32)用于提升吸入空气的压力；所述缓冲罐(33)用于对风机(32)出口空气进行稳压；所述气泵(34)出口与示踪粒子发生器(35)进口相连，用气泵(34)中的压缩空气将示踪粒子从示踪粒子发生器(35)中压出去与流量计(31)出口的空气混合，一起进入所述立式径向流吸附器(23)；以及所述测量系统(36)可通过自带的相机透过视化窗口(21)对分流流道(13)内的流场进行连续拍照，经过测量系统(36)自带的软件计算可得到分流流道(13)内的速度场。

10.一种立式径向流吸附器，包括：筒体(1)、下封头(2)、上封头(3)、气体进口管(4)、气体出口管(5)、颗粒层(17)、内多孔管(9)、外多孔管(10)、吸附床层(12)、悬浮底板(11)、下封头(2)内壁面与悬浮底板(11)的交界面上的第一丝网(16)、气体进口管(4)上的第二丝网(15)、一两端开口的圆筒形隔板(18)和形成于外多孔管(10)和筒体(1)侧壁之间的分流流道(13)，第一丝网(16)及第二丝网(15)形成的颗粒层(17)内填充颗粒物，其中所述筒体(1)、外多孔管(10)、内多孔管(9)和圆筒形隔板(18)由外向内依次按同心圆布置，空气由气体进口管(4)流入，经颗粒层(17)整流，由分流流道(13)轴向向上流动，径向穿过吸附床层(12)后，由气体出口管(5)流出，形成Z型与П型相结合的混合流动。

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