CN115814566B - 一种优化流道设计的径向吸附塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化流道设计的径向吸附塔，涉及变压吸附制氧领域，包括塔体、进气弯头、分流平板、外层多孔板、夹套管、气囊和排气管，进气弯头和排气管均固连在塔体底部以将空气导入和将氧气导出塔体，分流平板架设在排气管一侧的塔体内腔底部以改善气流分布；外层多孔板固连在塔体内腔中部，夹套管固连在外层多孔板内腔中部以使空气通过外层多孔板流入夹套管，夹套管与排气管相通，气囊固连在外层多孔板顶部以使外层多孔板顶部封闭，本发明优化了外层多孔板与内层多孔板上的压力梯度分布，具有提高分子筛利用率的优点。

Description

一种优化流道设计的径向吸附塔

技术领域

本发明涉及变压吸附制氧技术领域，尤其涉及一种优化流道设计的径向吸附塔。

背景技术

吸附塔是以沸石分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氮气，从而分离出氧气的自动化设备。在变压吸附制氧领域，通常使用“Π型流道”的吸附塔，作为分子筛的吸附与解析容器。为保证空气在吸附床同截面上均匀一致地通过分子筛床层，连接吸附床层与输气管道的塔内底部空间，承担着改变空气流向，均匀布气的作用。“Π型流道”的吸附塔的排气管道通常贯穿吸附塔内的底部空间，接入塔中轴线处的产品气汇集管。

早期“Π型流道”吸附塔存在着排气管阻碍气流、床层轴向上布气均匀性差的缺陷。现实尺寸的吸附塔中，气流绕流圆柱型的排气管时，雷诺数通常超过4000，流体转捩为湍流，尾迹涡流脱落引起排气管的震动与产生噪声，同时造成排管后方流道内气流分布不均匀。同时，“Π型流道”的进气端与出气段近乎处于同一水平高度，靠近床层底部的气流收到的阻力明显更小，路径更短，表现为不同床层高度上，气流方向压力梯度差别较大，床层内流速差异，上下等厚的床层，分布着不均匀的径向分速度，造成分子筛利用率下降。

公开号为US5759242的专利提供了一种“Z型流道”设计，外侧环向进气流道内气体的流动方向与中心产品气汇集管内的气体流动方向相反，汇集管内产品气向上流动，排出吸附塔。这种设计解决了“Π型流道”吸附塔内底部排气管的气流阻碍问题，便于加工。但是仍然存在高度方向上布气不均的问题，同时，由于顶部出气的设计，床层上部的采用了环形气囊压紧分子筛，结构复杂且故障率较高。

授权公告号为CN203447944U的专利提供了一种顶部出气的吸附塔结构，中心产品气汇集管内的气体从顶部穿出吸附塔，避免了底部管道对气流的阻碍。但是，顶部结构复杂，锥型的顶部缩口结构导致难以采用布料器装填分子筛，分子筛堆积密度欠缺。并且，缺少有效的压紧装置，长期使用后分子筛可能出现流化现象。

因此，针对以上不足，需要提供一种优化流道设计的径向吸附塔。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决上层吸附塔分子筛和底部排气管侧分子筛利用率低的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种优化流道设计的径向吸附塔，包括塔体、进气弯头、分流平板、外层多孔板、夹套管、气囊和排气管，进气弯头和排气管均固连在塔体底部以将空气导入和将氧气导出塔体，分流平板架设在排气管一侧的塔体内腔底部以改善气流分布；外层多孔板固连在塔体内腔中部，夹套管固连在外层多孔板内腔中部以使空气通过外层多孔板流入夹套管，夹套管与排气管相通，气囊固连在外层多孔板顶部以使外层多孔板顶部封闭。

作为对本发明的进一步说明，优选地，塔体包括锥形外壳、上封头和下封头，锥形外壳为圆台状回转型壳体，上封头焊接在锥形壳体顶部，下封头焊接在锥形外壳底部；外层多孔板中心轴线与锥形外壳轴线中心轴线重合以使外层多孔板与锥形外壳之间形成锥形通道。

作为对本发明的进一步说明，优选地，夹套管包括内层多孔板和分流管，内层多孔板固连在外层多孔板不带孔的底板中部，分流管架设在内层多孔板内腔中部；分流管与内层多孔板之间具有间隔以形成外气道，分流管中部设有内气道；内气道上部与外气道相通，内气道下部与排气管相通。

作为对本发明的进一步说明，优选地，分流管为截面是U型的空心管，分流管上部封闭端外径小于下部开放端外径以使外气道上部口径大于下部口径。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内层多孔板底部固连有环状的支撑平板，分流管开放端固连在支撑平板上，内气道底部与支撑平板中部通孔相通；支撑平板位于分流管连接端外部间隔开设有若干个气孔，气孔与外气道和排气管均相通。

作为对本发明的进一步说明，优选地，气孔孔径总面积不高于外气道下部口径的40%。

作为对本发明的进一步说明，优选地，气囊上部施加有大于锥形外壳内腔的气压，气囊中部与夹套管顶部抵接。

作为对本发明的进一步说明，优选地，外层多孔板底部与下封头内部均固连有滑道，滑道内开设有平直的滑槽，分流平板插入滑槽内以使分流平板与滑道固连。

作为对本发明的进一步说明，优选地，分流平板为梯形或L型的板状结构，分流平板端面方向与空气流动方向相同，分流平板宽度为5mm～10mm。

作为对本发明的进一步说明，优选地，分流平板上部两侧均开设有截面为半椭圆状的上气道，分流平板位于空气流出端两侧间隔开设有若干个气槽，气槽截面均为三角形，气槽两侧的分流平板开设有气导槽，气导槽为倒角结构。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明在传统的“Π型流道”吸附塔中增加了产品气汇集管内部的加套管填充，作为填充“死空间”，保留下部床层的同时增加上部床层的产气通道，提高上层分子筛的利用率；同时在底部排气管位于空气流向的后端增加分流平板，减少流动损失的同时改善气流分布，提高排气管侧扇形区域的床层分子筛利用率。

附图说明

图1是本发明的总装效果图；

图2是本发明的仰视图；

图3是本发明的剖面图；

图4是图3中A的放大图；

图5是本发明的夹管套横截面图；

图6是本发明的分流平板结构图；

图7是本发明的气槽结构图。

图中：1、塔体；11、锥形外壳；12、上封头；13、下封头；14、锥形封头；2、进气弯头；3、分流平板；31、滑道；32、上气道；33、气槽；34、气导槽；4、外层多孔板；5、夹套管；51、内层多孔板；52、分流管；53、外气道；54、内气道；55、支撑平板；56、气孔；6、气囊；7、排气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种优化流道设计的径向吸附塔，结合图1、图3，包括塔体1、进气弯头2、分流平板3、外层多孔板4、夹套管5、气囊6和排气管7，进气弯头2和排气管7均固连在塔体1底部，分流平板3架设在排气管7远离进气弯头2一侧的塔体1内腔底部；外层多孔板4固连在塔体1内腔中部，夹套管5固连在外层多孔板4内腔中部，夹套管5与排气管7相通，气囊6固连在外层多孔板4顶部。

结合图1、图2，塔体1包括锥形外壳11、上封头12和下封头13，锥形外壳11为圆台状回转型壳体，上封头12焊接在锥形壳体11顶部，上封头12上设有法兰用于向塔体1内供气。下封头13焊接在锥形外壳11底部，下封头13底部焊接有锥形封头14，进气弯头2焊接在锥形封头14底部，排气管7贯穿锥形封头14一侧以连通塔体1内外空间。

结合图3、图4，外层多孔板4围成圆筒状且上部开放，底部封闭，外层多孔板4侧壁开孔且贴有丝网。外层多孔板4中心轴线与锥形外壳11中心轴线重合以使外层多孔板4与锥形外壳11之间形成锥形通道，该锥形通道与进气弯头2相通。

结合图3、图6，分流平板3为梯形或L型的板状结构，分流平板3端面方向与空气流动方向相同，分流平板3宽度为5mm～10mm。外层多孔板4底部与下封头13内部均固连有滑道31，滑道31内开设有平直的滑槽，分流平板3插入滑槽内以使分流平板3与滑道31固连。由于进气弯头2和排气管7处于同一竖直面，则在进气弯头2向塔体1内供气时，空气会绕流排气管7外壁，此时依照空气的流向，位于排气管7后侧的空气会产生尾部脱涡现象，则在排气管7后端设置分流平板3，可以抑制流体绕过障碍物后产生的尾迹涡旋脱落，从而提高进入锥形通道的气流的均匀分布。

另外，通过设置滑道31便于安装分流平板3，而在组装塔体1时，在装配好外层多孔板4后，在锥形外壳1底部接口外，对应滑道31的位置打上钢印。在下封头13上指定位置焊接好滑道31后，在下封头13顶部接口外，对应滑道31的位置也打上钢印，拼装下封头13时，根据两处钢印位置，可通过点焊连接锥形外壳11和下封头13，随后通过下封头13底部接口将分流平板3插入滑道31内，若分流平板3能够顺利插入滑道31，则将分流平板3与滑道31焊接后，再对锥形外壳11和下封头13进行满焊，否则将焊点磨掉调整下封头13位置。通过上述方式能够确保分流平板3端面竖直，避免分流平板3位置偏移导致对空气流动的导向脱离设计预期，进而确保抑制效果达到预期。同样地，还可在下封头13对锥形外壳11对接时，直接将分流平板3插入滑道31内，利用分流平板3自身的刚性对下封头13进行定位，无需打上钢印，并需要将锥形外壳11和下封头13采用卧式拼装，进一步降低分流平板3的安装难度。

结合图6、图7，分流平板3上部两侧均开设有截面为半椭圆状的上气道32，分流平板3位于空气流出端两侧间隔开设有若干个气槽33，气槽33截面均为三角形，气槽33两侧的分流平板3开设有气导槽34，气导槽34为倒角结构。由于下封头13与外层多孔板4底部空间为由大变小的结构，且受到空气流速影响，若分流平板3厚度过薄则会使空气与分流平板3接触产生额外的震动噪音，若分流平板3厚度过大，则会在分流平板3的尾部产生新的尾迹涡旋脱落，因此将分流平板3厚度设计为5mm～10mm，并且利用上气道32和气槽33对部分空气的流向进行引导，既能避免产生新的尾迹涡旋脱落，又能避免产生额外的震动噪音，还能减少分流平板3的气阻和提高其刚性，一举多得。此外设计气导槽34使空气流入气槽33更为顺滑，提高引导效果。

结合图3、图4，夹套管5包括内层多孔板51和分流管52，内层多孔板51呈环状固连在外层多孔板4不带孔的底板中部，内层多孔板51上也开设有孔并贴有丝网或膜，外层多孔板4和内层多孔板51开孔率不得低于床层空隙率（39%）的1.25～1.5倍，否则会造成床层前后阻力偏大，影响床层压降。分流管52为截面是U型的空心管，不仅能起到气体流向引导作用，而且最大程度减少分流管52的重量，分流管52架设在内层多孔板4围成的内腔中部；分流管52与内层多孔板51之间具有间隔以形成外气道53，分流管52上部封闭端外径小于下部开放端外径以使外气道53上部口径大于下部口径；分流管52中部空间为内气道54；内气道54上部与外气道53相通，内气道54下部与排气管7相通。

通过设置夹套管5，在空气通过流经外层多孔板4后，横向流向内层多孔板51，穿过内层多孔板51进入外气道53后，部分空气向下流动，部分空气空气向上流动，通过内气道54上部端口进入内气道54，再经由内气道54流入排气管7内。通过设置带有外气道53和内气道54的夹套管5，有效地减少了吸附塔内部“死空间”，提高了吸附塔效率，与无夹套管的设计相比，同尺寸规模的吸附塔中，夹套管5作为空间填充的设计额外消除了2～5%的塔内“死空间”，降低了配置的动力设备的能耗。此外分流管52上部封闭端外径小于下部开放端外径以使外气道53上部口径大于下部口径，以使空气能够更易向上流动，避免空气直接沿与排气管7之间最短路径流动，确保对空气分离工作的正常进行之外，还能合理控制床层内压力梯度与轴向，提高轴向布气均匀性，进而提高吸附床分子筛利用率。

结合图4、图5，内层多孔板4底部固连有环状的支撑平板55，分流管52开放端固连在支撑平板55上，内气道54底部与支撑平板55中部通孔相通；支撑平板55位于分流管52连接端外部间隔开设有若干个气孔56，气孔56与外气道53和排气管7均相通，使得在外气道53内向下流动的空气能够通过气孔56流入排气管7内。设置开设气孔56的支撑平板55，不仅用于支撑分流管55，还可控制外气道53和内气道54两部分的产品气流通量，其尺寸直接关系上下床层的分子筛利用率，其中支撑平板55外径不得小于内层多孔板51内径的95%，否则节流效果不显著。另外气孔56孔径总面积不高于外气道下部口径的40%，并且内气道54、外气道53和气孔56的流通面积比值，以4:16:1为宜。

如图3所示，气囊6上部施加有大于锥形外壳11内腔的气压，气囊6中部与夹套管5顶部抵接，锥形外壳11，外层多孔板4，内层多孔板51与气囊6围成填装分子筛的吸附床层，通过设置气囊6确保吸附剂在吸附床层顶部的约束。

综上所述，本发明通过设计带有外气道53、内气道54以及带有气孔56的支撑平板55，合理控制了床层内压力梯度与轴向，提高轴向布气均匀性，进而提高了吸附床分子筛利用率。并且在吸附塔底部出气，塔顶部无管道结构，易于分子筛装填和压紧装置的设计安装。且减少了部分“死空间”，提高了吸附塔效率，结合分流平板3的使用，抑制流体绕过障碍物后产生的尾迹涡旋脱落，从而提高进入环形流道的气流的均匀分布，降低了配置的动力设备的能耗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：包括塔体（1）、进气弯头（2）、分流平板（3）、外层多孔板（4）、夹套管（5）、气囊（6）和排气管（7），进气弯头（2）和排气管（7）均固连在塔体（1）底部以将空气导入和将氧气导出塔体（1），分流平板（3）架设在排气管（7）一侧的塔体（1）内腔底部以改善气流分布；外层多孔板（4）固连在塔体（1）内腔中部，夹套管（5）固连在外层多孔板（4）内腔中部以使空气通过外层多孔板（4）流入夹套管（5），夹套管（5）包括内层多孔板（51）和分流管（52），内层多孔板（51）固连在外层多孔板（4）不带孔的底板中部，分流管（52）架设在内层多孔板（51）内腔中部；分流管（52）与内层多孔板（51）之间具有间隔以形成外气道（53），分流管（52）中部设有内气道（54）；内气道（54）上部与外气道（53）相通，内气道（54）下部与排气管（7）相通；内层多孔板（51）底部固连有环状的支撑平板（55），分流管（52）开放端固连在支撑平板（55）上，内气道（54）底部与支撑平板（55）中部通孔相通；支撑平板（55）位于分流管（52）连接端外部间隔开设有若干个气孔（56），气孔（56）与外气道（53）和排气管（7）均相通；气孔（56）孔径总面积不高于外气道（53）下部口径的40%；气囊（6）固连在外层多孔板（4）顶部以使外层多孔板（4）顶部封闭。

2.根据权利要求1所述的一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：塔体（1）包括锥形外壳（11）、上封头（12）和下封头（13），锥形外壳（11）为圆台状回转型壳体，上封头（12）焊接在锥形外壳（11）顶部，下封头（13）焊接在锥形外壳（11）底部；外层多孔板（4）中心轴线与锥形外壳（11）中心轴线重合以使外层多孔板（4）与锥形外壳（11）之间形成锥形通道。

3.根据权利要求1所述的一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：气囊（6）上部施加有大于锥形外壳（11）内腔的气压，气囊（6）中部与夹套管（5）顶部抵接。

4.根据权利要求2所述的一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：外层多孔板（4）底部与下封头（13）内部均固连有滑道（31），滑道（31）内开设有平直的滑槽，分流平板（3）插入滑槽内以使分流平板（3）与滑道（31）固连。

5.根据权利要求4所述的一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：分流平板（3）为梯形或L型的板状结构，分流平板（3）端面方向与空气流动方向相同，分流平板（3）宽度为5mm～10mm。

6.根据权利要求5所述的一种优化流道设计的径向吸附塔，其特征在于：分流平板（3）上部两侧均开设有截面为半椭圆状的上气道（32），分流平板（3）位于空气流出端两侧间隔开设有若干个气槽（33），气槽（33）截面均为三角形，气槽（33）两侧的分流平板（3）开设有气导槽（34），气导槽（34）为倒角结构。

Images