CN1145519C - 径向流吸附容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径向流吸附容器、组装这种容器的方法和生产用于这种容器的具有双向可变形性的约束网。径向流吸附容器包括具有纵轴的基本上为圆柱形的壳和多个同心地设置在壳内的基本上为圆柱的网。每个网具有不同的直径和与壳的纵轴基本平行的纵轴,至少一个网在轴向和径向上都是可变形的。优选地,至少一个在轴向和径向上都是可变形的网是设置在外网和内之间的中间网。

Description

径向流吸附容器
本发明涉及一种径向流吸附容器,具体地说,涉及一种具有多个同心可渗透(permeable)网(screen)的径向流吸附容器,网将吸附剂颗粒约束在圆柱形壳中。
径向流吸附容器用于低温空气分离设备,作为纯化系统的前部,在进料空气进入低温分离单元之除去前进料空气中的污染物。
F.G.Kerry在论文“Front-Ends for Air Separation Plant-The ColdFacts”(Chemical Engineering Progress,August 1991)中讨论过这种纯化系统。M.Grenier,J.Y.Lehman,P.Petit and D.V.Eyre在论文“Adsorption Purification For Air Separation Units”,(Cryogenic Proceeand Equipment,book Number G00283,American Society of MechanicalEngineers(1984))中讨论了吸附容器在空气分离设备中的应用。有关空气分离和径向流吸附器应用的讨论是Dr.Ulrich von Gemmingen的论文“Designs of Adsorptive Dryers in Air Sepatation Plant”(Linde AG,Reports on Science and Technology(1994))。
设计用于变温吸附(“TSA”)的径向流吸附容器时,遇到的主要问题是设计廉价而可靠的约束网(containment screen),这种网可以允许非均匀热膨胀和收缩(由循环温度变化引起),而不会挤碎或磨损吸附剂颗粒。当温度变化增强和使用两层或多层吸附剂时,这种问题会变得更困难。
用于TSA循环的径向流吸附容器有四种流行的设计。每一种设计都使用了在径向或轴向可变形的(flexible)约束网,以适应由于TSA循环中大的温度变化所引起的非均匀热膨胀和收缩。
US4,541,851公开了一种具有两层同心吸附剂和三个可渗透约束网的容器。内、外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。中间网在轴向上是刚性的,在径向上是可变形的。所有三个网都在其上端与容器壳刚性地连接。内、外网的下端与中间网的下端刚性地连接。三个网的组件悬吊在容器内的顶部,因此,网和吸附剂的重量由中间网支承。
当热脉冲在吸附剂床中移动时,网被交替地加热和冷却。中间网在轴向上膨胀和收缩,在轴向上交替地挤压和释放吸附剂。因为内、外网在轴向是可变形的,所以,中间网轴向运动后,内、外网接着轴向运动。内、外网在径向上收缩和膨胀,在径向上变替地挤压和释放吸附剂。因为中间网在径向上是可变形的,所以,中间网与吸附剂床之间进行径向运动,从而在吸附剂床上施加了很小的附加径向挤压力。
这种设置使得内、外网经受相对较大的热变形(与热应力有关),引起网在轴向上有相对较大的运动(可能导致吸附剂与网之间的磨擦),在吸附剂上产生相对大的挤压力,限制了吸附剂床为两层。
公开在US 4,541,851中的第二种方案是具有三层同心吸附剂和四个可渗透网的容器。内、外网在轴向和径向都是刚性。两个中间网在径向上是可变形的,在轴向上是刚性的。所有四个网都在其下端与壳刚性连接。在其上端,四个网都在轴向上自由移动。三个外网可以在导轨上轴向滑动,最里面的网以圆顶形式终止,可以在轴向上自由移动。这种设置可以容纳两层或多层吸附剂。
当热脉冲通过吸附剂床移动时,网被交替地加热和冷却。这种设计允许每个网自由地膨胀,并在轴向上各自独立。由于两个中间网的周边可变形性,由径向非均匀膨胀所产生的径向挤压力传递到所有三层吸附剂上。
当网在轴向上膨胀和收缩时,这种设置允许网和吸附剂之间的相对剪切移动。这种剪切移动导致了网的磨损和吸附剂颗粒的磨耗。此外,用于三个外网顶部的导轨需要“能变形的密封环”以防止处理流体通过导轨。这种能变形的密封环可能相对较贵和不可靠。
US5,827,485(AU-A-57158/90,EP-0-402-783-BI)公开了一种具有单层吸附剂和两个可渗透网的容器,两个网都在轴向上是可变形的,在径向上刚性的。两个网在其上端和下端与壳刚性地连接。
当热脉冲通过吸附剂床移动时,两个网的轴向可变形性使得其轴向膨胀和收缩被容器的壳所限制。因此,所发生的唯一轴向运动是由于壳的热膨胀和收缩而导致的轴向运动。因为壳受非常小的温度变化,这种运动很小。网的径向非均匀热膨胀对吸附剂床产生挤压力。这一设计的主要缺点是限制于单层吸附剂。
DE-39-517-AI公开了一种具有单层吸附剂和两个可渗透网的容器,两个网在轴向和径向上都是刚性的。内网的外侧覆盖着一层可渗透、可压缩材料。网的下端部相互刚性连接。在其上端,外网刚性连接到容器的壳上,内网用膨胀连接部件(即波纹管(bellows))与壳相连,或提供一能够轴向滑动的导轨。网组件悬吊在容器的顶部,吸附剂和网组件的重量由刚性外网支承。
当热脉冲通过吸附剂床移动时,网交替被加热和冷却。内网顶部的膨胀连接部件或导轨适应两网之间的非均匀热膨胀和收缩。覆盖在内网上的可渗透、且可压缩材料在所述网之间吸收非均匀径向热膨胀和收缩,以避免在吸附剂床上施加大的挤压力。
这种设计有几个缺点。第一,当网轴向膨胀和收缩时,网与吸附剂床相对剪切运动。这种剪切运动导致了吸附剂材料的磨耗和网的磨损。(覆盖内网的可渗透、且可压缩材料可能最易于磨损。)第二,在内网顶部需要膨胀连接部件或导轨,它们可能都相对较贵和不可靠。第三,难以找到适当的可渗透、且可压缩材料,特别是抵抗TSA循环的相对高温的材料。第四,这种设计不能提供多于一层的吸附剂。
需要一种用于TSA循环的、并使用两层或多层吸附剂的径向流吸附容器,与现有设计相比,这种吸附容器能适应较大的温度变化,改进约束网的机械可靠性,降低吸附剂材料的磨损。
还需要一种径向流吸附容器,与现有设计相比,由于约束网受到的热变形明显较小。
还需要一种径向流吸附容器,其中约束网与吸附剂之间的磨损较小,施加到吸附剂上的轴向挤压力较小,因此,导致的吸附剂磨耗也较小。
还需要一种径向吸附容器,与现有容器相比,能更好地抵抗TSA循环中的温度变化。
还需要一种径向流吸附容器,其中在吸附剂与约束网之间的剪切运动相对较小。
还需要一种具有改进径向流吸附容器的改进低温空气分离设备,以克服现有技术中的许多困难和缺点,从而提供较好和较有利的效果。
本发明涉及一种径向流吸附容器(“容器”)。本发明还包括一种组装这种容器的方法,生产用于容器内的具有双向可变形性的约束网的方法,网具有双向可变形性,可以用于温度急剧变化的工艺过程中。
径向流吸附容器包括具有纵轴的基本上为圆柱形的壳以及多个同心地放置在壳内的基本上为圆柱形的网(约束网)。每个网具有不同的直径和与壳的纵轴基本平行的纵轴,至少一个网在轴向和径向上都是可变形的。在优选方案中,在轴向和径向都可变形的至少一个网是位于外网与内网之间的中间网。
至少一个网的双向可变形性可以几种方式提供。一种方法是在至少一个网上具有许多孔(aperture)。
在一个方案中,孔以这样的图案(pattern)设置:在至少一个网上形成水平和垂直取向的梁元件(beam elements)。可以使用不同的图案,包括但不限于以下图案“梁元件是直线形的;梁元件有锥度;梁元件是曲线且有锥度的。另一种可能是梁元件呈人字形(herringbone)排列。
在特别优选的方案中,容器具有许多放置在相邻网之间的环隙内的吸附剂颗粒。还可包括适合于防止吸附剂颗粒通过网上的孔的细丝网(mesh)材料。
在本发明的基本结构中,径向流吸附容器包括:基本上为圆柱形的壳,壳具有纵轴、第一直径、第一端、相对于第一端的第二端;设置在壳内的且与壳的第二端相邻并刚性连接到壳上的底板(bottomplate);设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;设置在外网内的基本上为圆柱形的内网;至少一个设置在内、外网之间的基本上为圆柱形的中间网。外网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,小于壳的第一直径的第二直径,上端和与上端相对的下端。外网在轴向是可变形的,在径向上是刚性的。外网的上端与壳的第一端刚性连接,其下端与底板刚性连接。内网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,小于外网的第二直径的第三直径,上端和与上端相对的下端。内网在轴向是可变形的,在径向上是刚性的。内网的上端与壳的下端刚性连接,网的下端与底板刚性连接。每个中间网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,大于内网的第三直径的直径,上端和与上端相对的下端。每个中间网在轴向和径向上都是可变形的。每个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每个中间网的下端与底板刚性连接。
本发明包括基本结构的几种变体。第一种变体包括:基本上为圆柱形的壳,它具有纵轴、第一直径、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的可移动底板,底板具有朝向壳的第二端的下部表面;设置在壳内侧、且与壳的第二端相邻并与壳刚性连接的支承件,支承件适于支承地限制可折卸底板朝壳的第二端的轴向移动,但可朝壳的第一端轴向移动;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网;至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网。外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于壳的第一直径的第二直径,上端和与上端相对的下端。外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与底板刚性连接。内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于外网的第二直径的第三直径,上端和与上端相对的下端。内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接。每一个中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,大于内网的第三直径的直径,上端和下端。每一个中间网在轴向和径向上都是可变形的。每一个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每一个中间网的下端与底板刚性连接。
第一种变体的另一方案类似于第一种变体中前面描述的方案,不同的是在底板和支承件有某些差异。在这一可选择的方案中,设置在壳内的可移动底板具有朝向壳的第二端的下表面。设置在壳内的支承件并靠近壳的第二端,且与壳刚性连接,适合地支承地限制底板向壳两端的轴向移动。
第二种变体包括:基本上为圆柱形的壳,它具有纵轴、第一直径、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网;至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网。外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于壳的第一直径的第二直径,上端和与上端相对的下端。外网在轴向上是刚性的,在径向上是刚性的。外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接。内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于外网的第二直径的第三直径,上端和与上端相对的下端。内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接。每一个中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,大于内网的第三直径的直径,上端和下端。每一个中间网在轴向和径向上都是可变形的。每一个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每一个中间网的下端与底板刚性连接。
第三种变体包括:基本上为圆柱形的壳,它具有纵轴、第一直径、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;设置在外网外侧的基本上为圆柱形的内网;至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱的中间网。外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于壳的第一直径的第二直径,上端和与上端相对的下端。外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接。内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于外网的第二直径的第三直径,上端和与上端相对的下端。内网在轴向上是刚性的,在径向上是刚性的。内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接。每一个中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,大于内网的第三直径的直径,上端和下端。每一个中间网在轴向和径向上都是可变形的。每一个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每一个中间网的下端与底板刚性连接。
第四种变体包括:基本上为圆柱形的壳,它具有纵轴、第一直径、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网;多个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网。外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于壳的第一直径的第二直径,上端和与上端相对的下端。外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接。内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,小于外网的第二直径的第三直径,上端和与上端相对的下端。内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的。内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接。每一个中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,大于内网的第三直径的直径,上端和下端。一个中间网在径向是可变形的,在轴向上是刚性的,至少一个中间网在轴向和径向上都是可变形的。每一个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每一个中间网的下端与底板刚性连接。
在本发明的另一方面,是一种低温空气分离设备,该设备具有如上面讨论的任何一种容器的径向流吸附容器但不限于各种结构和变化。一种这样的低温空气分离设备具有一个径向流吸附容器,该容器包括一个具有纵轴的基本上为圆柱形的壳和多个设置在壳内的基本上为圆柱形网。每一个网具有不同的直径和与壳的纵轴基本上平行的纵轴,以及至少一个网在轴向和径向上都是可变形的。
本发明还包括多种组装径向流吸附容器的方法。其中一种方法包括三个步骤。第一步是提供具有纵轴的基本上为圆柱形的壳。第二步是提供多个基本为圆柱形的网,每一个网具有不同的直径和与壳的纵轴基本上平行的纵轴,其中至少一个网在轴向和径向上都是可变形的。第三步是在壳的内同心地安装网。
另一种方法类似于前述方法,但包括一附加步骤。附加步骤是在至少两个相邻网之间的环隙内提供多个吸附剂颗粒。
本发明还包括生产用于径向流吸附容器中的具有双向可变形性的约束网的多种方法。其中一种方法包括两个步骤。第一步是提供基本上为矩形的片材。第二步是在片材上形成孔的图案,因此,在片材上形成梁的弯曲装配,使得片材在片材平面上的两个垂直方向上是可变形的。
在生产方法的一个方案中,梁是直线形的。在第二方案中,梁是有锥度的。第三方案中,梁是曲线形且有锥度的。在第四方案中,梁以人字形图案排列。
另一生产方法包括一个附加步骤。附加步骤是由具有孔图案的片材形成圆柱体。
本发明还包括具有双向可变形性的用于温度急剧变化的工艺过程的网。这种网包括具有孔图案的片材,其中,在片材上形成弯曲梁组件,使得片材在片材平面上的两个垂直方向上是可变形的。在一个方案中,梁是直线形的。在第二方案中,梁是有锥度的。在第三方案中,梁是曲线形且有锥度的。在第四方案中,梁以人字形图案排列。
下面参照附图通过实施例对本发明进行详细描述,其中:图1是本发明径向流吸附容器的一个方案的纵向剖面示图;图1A是本发明径向流吸附容器的另一个方案的局部纵向剖面示图;图1B是本发明径向流吸附容器的再一个方案的局部纵向剖面示图;图2是具有一种孔图案的网的局部示图,这种孔图案形成了水平和垂直取向的为直线形的梁元件;图3是具有另一种孔图案的网的局部示图,这种孔图案形成了具有锥度的梁元件;图4是具有另一种孔图案的网的局部示图,这种孔图案形成了呈人字形排列的梁元件;图5是具有另一种孔图案的网的局部示图,这种孔图案形成了为曲线形且具有锥度的梁元件。
参看附图,径向流吸附容器(“容器”)20的基本结构如图1所示。容器包括一个圆柱形壳22,具有三个或更多个位于壳内的同心可渗透圆柱体(即约束网)。约束网(“网”)之间的环隙中填充吸附剂46。图1所示的具体方案具有四个同心网(24,26,28,30),三个环隙(32,34,36)内容纳三层吸附剂。这些网称为内网30,中间网(26,28),以及外网24。在图1所示方案中,所有四个同心设置的网以及壳具有同一对称轴或纵轴40。
除圆柱形壳22之外,容器20具有由大体上为一个半球盖所封闭的第一端或顶端52,以及第二端或底端54,也由为一个半球形盖所封闭。第一端52具有入口导管或喷嘴42,第二端54具有出口导管或喷嘴44。第一端52的盖还包括填充口(50,56,58)以向壳内引入或从壳内排出吸附剂46。
环隙(32,34,36)中的每一层吸附剂46可以与相邻层不同。例如,相邻层可以包括相同的材料,但材料颗粒的尺寸和/或形状可以与相邻层不同。此外,可以在各层中使用不同类型的材料,如氧化铝、分子筛、和沸石。本领域技术人员可以意识到,其它类型的材料可以用于不同的应用。
为了与典型变温吸附(“TSA”)循环发生的大温度变化相适应,使用如下结构:1.内网30和外网24是轴向上可变形的,在径向上是刚性的;2.中间网(26,28)在轴向和径向上都是可变形的;3.所有网(24,26,28,30)在上端与壳22的顶端刚性连接;和4.所有网相互刚性连接,并在下端通过底板38与壳刚性连接,底板38通过元件46,48′与壳刚性连接。
在这里,术语“刚性”是指:在考虑的方向上,一个网的可能弹性变形主要是取决于网材料(通常是金属)本身固有的弹性。
在这里“可变形的”是指:网在所考虑方向可以弹性变形,这种变形远大于网材料本身固有弹性所提供的变形。此外,在所考虑方向上,使网变形所需的力远小于使网材料本身变形所需的力。
本领域技术人员可以认识到,元件48,48′可以具有不同于图1所示形状或结构。然而,元件必须允许气体(外理流体)通过或绕过元件。例如,可渗透元件可以由金属板形成,在板上有洞或其它孔。
如图1所示,网(24,26,28,30)中靠近上端的一部分是不可渗透的(即非渗透)。所述网中的这些不可渗透部分被密封和并刚性连接到壳22的顶部。
在典型的TSA循环过程中,流过径向吸附剂容器(“容器”)的气体的温度数百度(°F)地重复而突然地变化。温度的这种突然变化在吸附剂床中产生热脉冲,从而在各个网和吸附剂之间引起温度梯度或温差。
例如,参看图1,当箭头表示气体(处理流体)的流动时,典型的情况是:
-流过容器20的气体通过顶部喷嘴42进入,径向地向外流动并流过吸附剂层46,以及从底部喷嘴44排出容器。
-开始时,网(24,26,28,30)和吸附剂处于相对均匀的温度,等于流过容器的气体的温度。
-突然,气体的温度升高几百度(°F)。
在之后的短时间内,内网30以及吸附剂46中与内网相邻的一少部分,相对于其它网(24,26,28)以及吸附剂中的剩余一部分将变得较热。随时间的推移,热的温度脉冲将径向外向移动,通过吸附剂层46,再加热第一吸附剂层的剩余部分,接着是第一中间网28,第二吸附剂层,第二中间网26,第三吸附剂层,最后是外网24。这时,所有网(24,26,28,30)以及吸附剂46都将处于相对均匀的高温下,气体温度突然下降几百度(°F)。当发生这种情况时,冷的温度脉冲将径向地向外移动,通过吸附剂层,再冷却网和吸附剂层,其方式类似于热的温度脉冲。在TSA循环的径向流吸附容器的使用寿命中,这种加热和冷却循环可能发生多达50,000次。
壳也经历温度变化。然而,与网(24,26,28,30)中的温度变化相比,壳上的温度变化较小,这是由于壳的热质相对较大,气体与壳之间的换热速度低,对壳暴露于热气体的持续时间进行限定的循环进行的控制。计算表明,壳经受温度变化小于网和吸附剂所经历温度变化的10%。
底板38的轴向运动受壳22和元件48,48′的轴向运动的限制。底板38、元件48,48′与壳22的第二端54之间的径向非均匀热膨胀由元件48,48′之间的可变形性提供。
很明显,当温度脉冲通过吸附剂层移动时,容器的不同部件之间存在大的温差。如果容器设置不当,各部件的非均匀性热膨胀和收缩将损坏网和/或破碎吸附材料。本发明使用可变形网以适应非均匀性热膨胀和收缩。
当网被交替地加热和冷却时,在轴向,网间没有相对运动,网的轴向膨胀和收缩受壳的轴向膨胀和收缩所限制。因为壳经历很小的温度变化,因此,网的轴向运动很小。减少网的轴向运动的两个优点是:减少了发生在网与吸附剂材料之间的磨损量,以及减少了网施加到吸附剂层上的轴向挤压力。网的轴向可变形性使其轴向运动受壳的限制。如果没有轴向可变形性,网就需要某种滑动连接部件以适应轴向膨胀和收缩,否则,如果轴向运动受到限制,网将经受非常大的热机械应力。吸附剂材料的非均匀热膨胀和收缩由吸附剂的固有柔性(compliance)提供。
当网被交替地加热和膨胀时,在径向上,内、外网径向膨胀和收缩(因为它们在径向上是刚性的),在径向上交替地挤压和释放吸附剂层。当内网是热的,外网是冷的,吸附剂是热时,挤压力最大。当内网是冷的,外网是热的,吸附剂是冷的时,挤压力最小(即床被释放)。吸附剂材料的柔性适应由网和吸附剂本身的非均匀膨热胀和收缩所施加的径向挤压力。中间网在径向上是可变形的,在径向上随吸附剂层运动,其结果是,这些网在吸附剂上施加很小的径向挤压力。如果中同间网在径向上是刚性的,网将在吸附剂上施加非常大的附加径向挤压力,可能会压碎吸附剂。
正如所指出的,图1所示内网30和外网24的基本结构具有单向可变形性(即轴向可变形性)。具有单向可变形性的约束网的各种设计公开在现有技术中,这些设计包括:-具有一种交错排列的槽图的圆柱体(US 4,541,851中的图2和图3,US 5,827,484中的图3和图4)-多孔波纹板(US 4,541,851中的图5)-蜂窝状结构的圆柱形构架(US 4,541,851中的图6)-折叠/可膨胀接缝(US 4,541,851中的图7)-金属线网片(US 5,827,485中的图6和7)-具有一层能有效地提供径向可变形性的可渗透且可压缩材料的刚性圆柱体(DE-39-39-517-A1)除最后一种设计外,其它任何一种都能提供本发明所需的径向可变形性。由于易于制造,优选的设计是具有一种交错排列的槽的图案的圆柱体。使用这种设计,内、外网可由在其上开有交错排列的槽的片材或板材制成。开了槽的片材可形成带导向槽的圆柱体,使槽的长度方向围绕圆柱体的周边。如果吸附剂颗粒小到可以通过槽下落,则可以用如编织金属丝布或多孔金属网的细丝网覆盖圆柱体,以防止颗粒通过槽下落。
本发明的中间网(26,28)必须在轴向和径向两个方向上(即双向)都是可变形的。可以使用两种方法来满足这一要求。第一种方法是组合两种能提供单向可变形性的现有网(已在上讨论内、外网时讨论时)。第二种方法包括在金属片材上切割出特殊的孔洞图案,使片材相当于“弯曲梁组件”,这种“梁”的结构使得片材在片材平面内的两个垂直方向上是可变形的。使用第一种方法的双向网包括:-交错排列的槽设计与波纹片材设计组合。这种网可以由开槽而有波纹的片材制成。交错排列的槽的长度方向垂直于波纹的行(row),使得交错排列的槽可以在一个方向提供可变形性,同时波纹可以在另一方向提供可变形性。
-交错排列的槽的设计与折叠/可膨胀接缝设计组合。交错排列的槽的图案的长度方向垂直于接缝,使得交错排列的槽可以在一个方向提供可变形性,同时接缝可以在另一方向提供可变形性。
-波纹片材设计与折叠/可膨胀接缝设计组合。波纹的行垂直于接缝,使得波纹在一个方向上提供可变形性,而接缝在另一个方向上提供可变形性。
-交错排列槽的设计与可渗透且可压缩材料层设计组合。圆柱体具有交错排列的槽以提供轴向可变形性,然后覆盖可渗透且可压缩材料以提供径向可变形性。
正如上面所述,向中间网提供双向可变形性的第二种方法包括由具有特殊洞或孔图案的金属片材或板材制成网。孔洞的图案使得板材相当于可以地板平面内小弯曲梁的组件。梁的结构使得片材在片材平面内的两垂直方向是可变形的。
几种孔洞的图案示如图2-5。具有这种图案的网不仅可以用于径向流吸附容器,也可用于其它应用中(即用于具有急剧温度变化和/或大的温度梯度过程的其它设备)。
图2示出了一种槽62和矩形洞64的图案,它们形成了水平和垂直取向的梁元件66。水平梁元件的弯曲提供垂直方向的可变形性,而垂直的梁元件的弯曲提供水平方向上的可变形性。可以这样设计洞、孔的尺寸和形状的比率以及梁元件,使之在水平和垂直方向提供所需的强度平衡的可变形性。例如,梁元件越长、越细,板越具有可变形性。然而,如果板太易于变形,则在制造过程中难于处理,不能维持其圆柱形状。
图3所示图案类似于图2所示图案,例外的是梁元件66′是有锥度的,而不是直线形的。有锥度的梁元件给设计者较大的控制自由度以在强度和可变形性上求得平衡。
图4所示图案是类似于人字形图案。使用这种图,梁元件66″弯曲以提供y方向(垂直)上的可变形性,挺直以提供x方向(水平)上的可变形性。可以调节梁元件的尺寸和形状的比率以平衡强度和可变形性。这种图案在x方向(水平)上的可变形性。可以调节梁元件的尺寸和形状的比率以平衡强度和可变形性。这种图案在x方向(水平)上的可变形性通常超过y(垂直)方向的变形性。有锥度的梁元件同样能提供对强度和可变形性之间的附加控制。
图5所示图案是图3和图4所示图案的组合。与图3一样,它具有垂直和水平取向的有锥度的梁元件66。此外,类似于图4所示人字形图案,梁元件66呈曲线形,使得它们可以弯曲和挺直提供可变形性。可以设计梁的尺寸和形状比率、曲率、以及锥度,达到所需的强度与可变形平衡。
任何能提供双向可变形有性的方法都适合于中间网。网可以通过在两个方向都有可变形性的金属片材或板材形成圆柱体来制造。如果吸附剂颗粒小到可以通过圆柱体上的小孔下落,则可以用如编织金属丝布或多孔金属网的细丝网覆盖圆柱体,以防止颗粒通小孔下落。
使用在两个方向上都是可变形的一个网(或多个网),给图1所示基本结构提供了几种变体。
第一种变体包括对基本结构进行小的改进。它包括内侧有三个或更多个同心可渗透圆柱体(即网)的壳22。可渗透网之间的环隙填充吸附剂46。类似于基本结构,内网30和外网24在轴向是可变形的,在径向上是刚性的,中间网可轴向和径向上都是可变形的。所有网的上端都与壳刚性连接。在其下端,所述网之间通过底板38相互刚性连接。然而,与图1所示基本结构不同,底板不与壳刚性连接。如图1所示,取而代之的是底板38支在支承件49上,支承件与壳22的下端刚性连接。这一变体与基本结构一样操作,不同之处在于板38可以离开支承件49升起(特别是当壳比网和吸附剂材料热时)。
在图1A所示方案中,支承件49防止底板38垂直向下运动,但允许垂直向上运动。元件49允许底板38有小的径向运动,以适应底板38与元件49与壳22的第二端54之间的径向非均匀热膨胀。(除去元件49最上方的垂直部分可以允许更大的径向运动)。元件49是可渗透的。
第一种变体的另一方案使用图1B所示的不同支承元件51。支承元件51与壳22的第二端54刚性连接。第一连接件39与底板38刚性连接。第一连接件39安装到支承元件51顶部的第二连接件中,以便底板38相对于支承件51和壳22的第二端54轴向运动被抑制。第一连接件39与支承件51之间的连接允许底板38/第一连接件39和元件51/壳22的第二端之间具有少量径向非均匀热膨胀。元件51是可渗透的。
图1A和1B所示结构仅仅是第一种变体的两种可能情况。本领域的技术人员认识到其它可使用的结构也是可能的。
第二种变体包括内侧有三个或更多个同心可渗透圆柱体(即网)的柱形壳22。可渗透网之间的环隙填充吸附剂46。内网30在轴向是可变形的,在径向上是刚性的,外网24在两个方向上都是刚性的,中间网在两个方向上都是可变形的。所有网的上端都与壳刚性连接。在网的下端,所述网之间通过底板38相互刚性连接。底板在轴向上可以自由运动。网和吸附剂的重量悬吊在刚性外网上。当热脉冲通过吸附剂床移动时,网被交替加热和冷却。外网轴向膨胀和收缩,在轴向挤压和释放吸附剂。其它网在轴向上是可变形,随外网轴向运动。内、外网径向膨胀和收缩,径向挤压和释放吸附剂。中间网与吸附剂径向运动,因为它在径向上是可变形的,其结果是,在吸附剂床施加了很小的附加径向挤压力。
第三种变体包括内侧有三个或更多个同心可渗透圆柱体(即网)的柱形壳22。可渗透网之间的环隙填充吸附剂46。内网30在轴向和径向上都是刚性的,外网24在轴向是可变形的,在径向上是刚性的,中间网可轴向和径向上都是可变形的。所有网的上端都与壳刚性连接。在网的下端,所述网之间通过底板38相互刚性连接。底板可以在轴向自由运动。网和吸附剂的重量悬吊在刚性内网上。当热脉冲通过床移动时,网被交替地加热和冷却。内网轴向膨胀和收缩,在轴向上挤压和释放吸附剂。在轴向上是可变形的其它网,随内网在轴向上运动。内、上网在径向上膨胀和收缩,在径向上挤压和释放吸附剂。中间网随吸附剂床径向运动,因为它在径向上是可变形的,其结果是,在吸附剂床上施加了很小的附加径向挤压力。
第四种变体包括内侧有四个或更多个同心可渗透圆柱体(即网)的柱形壳22。可渗透网之间的环隙填充吸附剂46。内网30和外网24在轴向是可变形的,在径向上是刚性的,一个中间网在径向上是可变形的,在轴向上是刚性的,其余中间网在两个方向上都是可变形的。所有网的上端都与壳刚性连接。在网的下端,所述网之间通过底板38相互刚性连接,底板在轴向上可以自由运动。网、吸附剂和底板的重量悬吊在径向可变形而轴向刚性的中间网上。
相对于第二、三和四种变体,基本结构和第一种变体是优选的。这是因为与第二、三和四种变体相比,在基本结构和第一种变体中网的轴向热运动小得多。尽管如此,相对于现有技术,第二、三和四种变体的设计还是提供了一些优点,包括这些设计能更好地适应多层吸附剂床。
可以适应于一层、两层、三层吸附剂的其它网结构变体分别列于表1-3中。这些表没有穷尽所有具有双向可变形性对径向流吸附容器提供优点的其它网结构。为得到适应于四、五、六等层吸附剂的结构,可以形成类似的表。作为一条规则,内、外网在径向上优选为刚性的。如果这些网在径向上是可变形的,则在制造过程中难以保持这网的圆柱形,在重复温度循环中,可能逐渐变形。(如果内、外网的径向可变形性是由一层可渗透且可压缩材料提供,这一规则不适用)。由于这种原因,认为表1-3中所列结构不如上面讨论的基本结构及其变体重要。
正如在上面针对基材结构及其变体所进行的讨论和表1-3中所示,至少一个网在轴向和径向上是可变形的(即至少一个网是双向可变形的)。双向可变形的网优选为中间网。
网适应与TSA循环有大温度变化的能力与支管(manifolding)设置无关。这意味着本发明径向流吸附容器与Z-型流支管设置(如图1所示)、U-型流设置或“逆向U-型流设置”的作用一样好(U-型流设置和逆向U-型流设置,请参看US 5,814,129。)进一步,当所处理的流动径向朝内或径向朝外通过吸附剂层时,以及容器倒转时,网所起的作用也一样好。
尽管本发明已讨论了各种方案,可以理解,在不脱离权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下可以对这些方案作出各种改进。进一步说,尽管本发明是按照低温空气分离设备的前端纯化系统进行讨论的,可以理解,本发明也可以用其它类型的反应,其中变温流体通过一个或多个颗粒材料的环形床,这些颗粒包括但不限于如催化剂的活性材料。

Claims (19)

1.一种径向流吸附容器,包括具有纵轴的基本上为圆柱形的壳和圆柱形的内、外网,每个网具有不同的直径和与壳的纵轴基本平行的纵轴,该内网在轴向或径向上是可变形以及在轴向或径向上是刚性的,该外网在轴向或径向上是可变形以及在轴向或径向上是刚性的,一个第三网同心地设置在壳内的内网与外网之间,该第三网在轴向和径向上都是可变形的,和多个吸附剂颗粒填充在内网与第三网之间以及在第三网与外网之间的空隙。
2.权利要求1的径向流吸附容器,其中,一个或多个在轴向和径向中的一个方向上为可变形而在轴向和径向中的另一个方向上为刚性的网是设置在第三网与内网之间和/或在第三网与外网之间。
3.权利要求2的径向流吸附容器,进一步包括在第三网上的多个孔。
4.权利要求1的径向流吸附容器,在至少两个邻网之间的环隙设置多层吸附剂颗粒。
5.权利要求3的径向流吸附容器,其中孔在一个金属板上形成一种有规律的图案,以在中间网上形成水平和垂直取向的梁元件。
6.权利要求5的径向流吸附容器,其中梁元件是直线形的。
7.权利要求5的径向流吸附容器,其中梁元件是有锥度的。
8.权利要求5的径向流吸附容器,其中梁元件是曲线形和有锥度的。
9.权利要求5的径向流吸附容器,其中梁元件设置成一种人字形图案。
10.权利要求3的径向流吸附容器,进一步包括适合于防止吸附剂颗粒通过孔的细丝网材料。
11.具有权利要求1的径向流吸附容器的一种低温空气分离设备。
12.一种径向流吸附容器,包括:基本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内紧靠壳的第二端且与壳刚性连接的底板;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与底板刚性连接;设置在外网内的基本上为圆柱形的内网,内网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向是可变形的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和一个设置在内、外网之间的基本上为圆柱形的中间网;该中间网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的,该中间网的上端与壳的第一端刚性连接,该中间网的下端与底板刚性连接;和多个吸附剂颗粒填充在内网与中间网之间以及在中间网与外网之间的空隙。
13.一种径向流吸附容器,包括:其本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的可移动底板,该底板具有朝向壳的第二端的下部表面;设置在壳内、与壳的第二端相邻且与壳刚性连接的支承件,支承件适合于支承地限制可折卸底板朝壳的第二端的轴向移动,但允许朝壳的第一端轴向移动;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与秃的纵轴基本上平行的纵轴,该外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与底板刚性连接;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网,该内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和一个设置在内网之间的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径但小于外网直径的直径、上端和下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的,该中间网的上端与壳的第一端刚性连,该中间网的下端与底板刚连接;和多个吸附剂颗粒填充在内网与中间网之间以及在中间网与外网之间的空隙。
14.一种径向流吸附容器,包括:基本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网;该外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是刚性的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网,该内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径但小于外网直径的直径、上端和下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的,该中间网的上端与壳的第一端刚性连接,该中间网的下端与底板刚性连接;和多个吸附剂颗粒填充在内网与中间网之间以及在中间网与外网之间的空隙。
15.一种径向流吸附容器,包括:基本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一直径、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网,该内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向上是刚性的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径但小于外网直径的直径、上端和下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的,该中间网的上端与壳的第一端刚性连接,该中间网的下端与底板刚性连接;和多个吸附剂颗粒填充在该网之间的空隙。
16.一种径向流吸附容器,包括:基本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与设置在壳内紧靠第二端的底板刚性连接;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网,该内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和至少两个设置在内网与外网之间并相互隔开的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径但小于外网直径的直径、上端和下端,其中,该中间网中的一个在径向是可变形的,在轴向上是刚性的,该中间网中的另一个在轴向和径向上都是可变形的,其中,每一个中间网的上端与壳的第一端刚性连接,每一个中间网的下端与底板刚性连接;和多个吸附剂颗粒填充在内网之间以及在中间网与相邻外网或内网之间的空隙。
17.一种径向流吸附容器,包括:基本上为圆柱形的壳,该壳具有纵轴、第一端和与第一端相对的第二端;设置在壳内的可移动底板,该底板具有朝向壳的第二端的下表面;设置在壳内侧、与壳的第二端相邻且与壳刚性连接的支承件,支承件适合于支承地限制可移动底板的轴向移动;设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,外网的上端与壳的第一端刚性连接,外网的下端与底板刚性连接;设置在外网内侧的基本上为圆柱形的内网,该内网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的,内网的上端与壳的第一端刚性连接,内网的下端与底板刚性连接;和至少一个设置在内网与外网之间的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本上平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径但小于外网直径的直径、上端和下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的,该中间网的上端与壳的第一端刚性连接,该中间网的下端与底板刚性连接;和多个吸附剂颗粒填充在内网与中间网之间以及在中间网与外网之间的空隙。
18.一种组装径向流吸附容器的方法,包括以下步骤:提供具有纵轴的基本上为圆柱形的壳;提供一个设置在壳内的基本上为圆柱形的外网,该外网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,外网具有小于壳直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,外网在轴向上是可变形的,在径向上是刚性的;提供一个设置在外网内的基本上为圆柱形的内网,内网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,内网具有小于外网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,内网在轴向是可变形的,在径向上是刚性的;提供一个设置在内、外网之间的基本上为圆柱形的中间网,该中间网具有与壳的纵轴基本平行的纵轴,该中间网具有大于内网直径的直径、上端和与上端相对的下端,其中,该中间网在轴向和径向上都是可变形的;和在壳的内侧同心地安装这些网。
19.权利要求18的组装径向流吸附容器的方法,进一步包括在至少两个相邻网之间的环隙内提供多个吸附剂颗粒的步骤。
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