CN116371139A - 空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，包括：吸附塔，吸附塔内均容纳有吸附剂，吸附剂采用沸石分子筛，其孔径根据氮气、氧气分子和氟化液分子动力学直径的相对大小来确定；抽真空支路，与吸附塔的进气口连接，用于对吸附塔进行抽真空处理；加压支路，与吸附塔的进气口连接，用于将空气与有机氟化液蒸汽的混合气体输送至抽真空处理后的吸附塔内；和回收支路，与吸附塔的出气口连接，用于对从吸收塔排出且满足纯度要求的有机氟化液蒸汽进行收集。本公开装置解决了喷淋式两相液冷系统及其他应用场景中产生的氟化液蒸汽与空气混合而导致氟化液蒸汽难以回收的问题，且所需的冷量少、能耗低。
Description
技术领域
本公开涉及气体吸附分离领域，特别涉及一种空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置。
背景技术
随着电子元器件和微组装技术的迅速发展，电子设备发展呈现出高集成化、小型化和高频化的趋势，随之而来的是电子设备热流密度的增加。因此选择有效的散热冷却方式是保证电子设备高可靠、长期运行的基础，目前现有的冷却方式主要有风冷和液冷，而常规风冷由于可冷却的最大功率较小且能耗较大，已经不能满足更高功率密度的电子设备冷却的需求；液冷可以根据冷却液是否发生相变分为单相液冷和两相液冷，而两相液冷的冷却能力更强，是未来电子设备冷却的重要发展方向。
电子氟化液是一种无色、透明、低粘度、不可燃、不导电的液体，性质稳定、安全性高，是传统冷却液(如水、乙二醇或油)的重要代替品，在半导体冷却板、数据中心冷却和航空电子设备的喷雾冷却等领域具有广泛的应用。然而，在实际使用过程中，会不可避免地发生氟化液蒸汽与空气混合的问题。以数据中心冷却为例，受限于机柜本身的承压能力，在装载设施时难以做到内部真空；同时由于芯片的功率会随着时间发生变化，机柜内部压强可能会发生迅速变化，只有通入空气以防止机柜受损。这会导致氟化液蒸汽与空气混合，使得氟化液的冷却回收受到较大影响，未完成充分回收的氟化液蒸汽被排入大气之中会造成数据中心的运行成本提高，并可能存在对环境与人体健康的损害。
变压吸附(PSA)是一种具有较多优势的气体吸附分离，工业运用中一般由加压泵、双吸附塔、阀门、真空泵等装置组成系统，可通过控制压力、调节吸附塔温度、选择吸附剂种类等方式实现混合气体的吸附与解吸，从而实现混合气体的分离。但原有变压吸附技术路径大多选择吸附具有更高吸附热的大分子物质，导致吸附后会放出较多的吸附热，在实际运用过程中需要额外的冷却装置以实现散热、保证装置处于设定的工作温度。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本公开实施例提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，通过气体分离的方式解决喷淋式两相液冷系统及其他应用场景中产生的氟化液蒸汽与空气混合而导致氟化液蒸汽难以回收且产生较多吸附热的问题。
为实现上述目的，本公开提供了如下技术方案：
本公开提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，包括：
吸附塔，所述吸附塔内均容纳有吸附剂，所述吸附剂采用沸石分子筛，其孔径根据氮气、氧气分子和氟化液分子动力学直径的相对大小来确定，并选择对氮气分子和氧气分子的吸附量均大于对氟化液分子的吸附量、同时对氮气分子与对氟化液分子的吸附量之差以及对氧气分子与对氟化液分子的吸附量之差均满足阈值要求的沸石分子筛；
抽真空支路，与所述吸附塔的进气口连接，用于对所述吸附塔进行抽真空处理；
加压支路，与所述吸附塔的进气口连接，用于将空气与有机氟化液蒸汽的混合气体输送至抽真空处理后的所述吸附塔内；和
回收支路，与所述吸附塔的出气口连接，用于对从所述吸收塔排出且满足纯度要求的有机氟化液蒸汽进行收集。
在一些实施例中，所述沸石分子筛的孔径大于氮气和氧气分子的动力学直径而小于氟化液分子的动力学直径。
在一些实施例中，所述沸石分子筛的孔径大小为
(埃米，长度单位)/>
在一些实施例中，在所述吸附塔的进气口与出气口处均分别设置有温度计。
在一些实施例中，在所述吸附塔内且靠近其进气口处设有气体均布件。
在一些实施例中，所述抽真空支路通过设有第一阀门的所述吸附塔的进气口连接，所述抽真空支路包括设有真空泵的第二管路。
在一些实施例中，所述加压支路通过设有第二阀门的第三管路与所述吸附塔的进气口连接，所述加压支路包括设有加压泵和气体流量计的第四管路，所述气体流量计设置在所述加压泵的出口端。
在一些实施例中，所述回收支路通过设有第三阀门的第五管路与所述吸附塔的出气口连接，所述回收支路包括设有氟化液蒸汽纯度检测器和回收罐的第六管路。
在一些实施例中，所述吸附分离装置含有的所述吸附塔的个数至少为一个。
在一些实施例中，所述吸附分离装置含有的所述吸附塔的个数为多个，所述抽真空支路、所述加压支路和所述回收支路均交替地与所有所述吸附塔中的其中一个连接，使所述吸附塔完成吸附与脱吸附的循环过程。
本公开具有以下特点及有益效果：
选取具有相应吸附选择性的沸石分子筛作为吸附剂，且根据氮气、氧气分子和氟化液分子动力学直径的相对大小来确定沸石分子筛的孔径大小，使得选定的分子筛对小分子的空气各主要成分有较大的吸附量而对大分子的氟化液蒸汽吸附量极小，利用位阻效应实现空气-氟化液蒸汽的分离。
相较于选择性吸附大分子，选择性吸附小分子的过程有更低的吸附热，吸附过程放出更少的热量，可以有效减少由于吸附放热导致对吸附装置的冷却所需的能耗；同时相较于直接冷却分离的方式，平衡吸附热所需的冷量更少，能耗更低。
附图说明
图1为本公开实施例提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的装置中使用的气体均布件的正视图；
图3为本公开实施例提供的装置中使用的气体均布件的俯视图；
图4为本公开实施例提供的装置使用的吸附塔吸附混合气体中空气的原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的基础或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本公开提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，包括：
至少1个吸附塔，各吸附塔内均容纳有吸附剂，吸附剂采用沸石分子筛，其孔径根据氮气分子、氧气分子和氟化液分子动力学直径的相对大小来确定，并选择对氮气分子和氧气分子的吸附量均大于对氟化液分子的吸附量、同时对氮气分子与对氟化液分子的吸附量之差以及对氧气分子与对氟化液分子的吸附量之差均满足阈值要求的沸石分子筛；
抽真空支路，与吸附塔的进气口连接，用于对吸附塔进行抽真空处理；
加压支路，与吸附塔的进气口连接，用于将空气与有机氟化液蒸汽的混合气体输送至抽真空处理后的吸附塔内；
回收支路，与吸附塔的出气口连接，用于对从吸收塔排出且满足纯度要求的有机氟化液蒸汽进行收集。
以下结合附图和实施例1对本公开提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置进行详细描述。
参见图1，本公开实施例提供的空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，包括：
两个吸附塔1.1与1.2，各吸附塔均分别设有进气口和出气口，各吸附塔内均容纳有作为吸附剂的沸石分子筛，沸石分子筛的孔径大小为
用于对空气与有机氟化液蒸汽的混合气体中的空气进行吸附；
抽真空支路，通过设有第一阀门3.1的第一管路与两个吸附塔1.1和1.2的进气口连接，抽真空支路包括设有真空泵5的第二管路；
加压支路，通过设有第二阀门3.2的第三管路与两个吸附塔1.1和1.2的进气口连接，加压支路包括设有加压泵4和气体流量计6的第四管路，气体流量计6设置在加压泵4的出口端，用于监测经由加压泵4流出的空气与有机氟化液蒸汽的混合气体的流速与流量；
回收支路，通过设有第三阀门3.3的第五管路与两个吸附塔1.1和1.2的出气口连接，回收支路包括设有氟化液蒸汽纯度检测器7和回收罐9的第六管路。
进一步地，在吸附塔1.1和1.2的进气口与出气口处均分别设置有温度计(如图1中附图标记2.1～2.4所示)，用于测定气体在进入和流出相应吸附塔时的温度，以此确保装置内不会因为温度过高而导致气体吸附量下降。
进一步地，在吸附塔1.1和1.2内且靠近各自的进气口处分别设有气体均布件8.1与8.2，以保证混合气体通入吸附塔后的均一性。设置在各吸附塔内的气体均布件结构相同，现以气体均布件8.1为例进行说明，参见图2、图3，气体均布件8.1为具有内外表面的桶状结构(图2中虚线表示气体均布件8.1的内表面，外部实线表示其外表面)，优选地，气体均布件8.1的内外表面均呈锥形，内外表面之间为实心结构，且在气体均布件8.1的内外表面上设有若干正对的均匀分布的通孔8.1.1，各通孔8.1.1正视为圆形、投影为椭圆形，可使混合气体均匀通过。混合气体经过气体均布件8.1后能迅速达到均布状态，径向上升速度均匀一致，产生的压降小，使得吸附剂能对气体进行均匀且充分的吸附。
进一步地，如图4所示，在本装置的实施例中，吸附塔1.1与吸附塔1.2内填充有相同的具有一定拓扑结构的沸石分子筛。本公开依据氟化液分子与空气中主要成分氮气、氧气的分子动力学直径大小有明显差异，通过筛选孔径在
到/>
之间的具有一定拓扑结构和吸附选择性的沸石分子筛实现分子筛对于空气的吸附与对氟化液蒸汽的不吸附，进而通过加压和抽真空的方式实现对空气的大量吸附与脱附。
在本装置的实施例中，吸附塔1.1与吸附塔1.2内部填充的为具有MFI拓扑结构的ZSM-5沸石。实际使用过程之中也可使用其他多种天然存在或人工合成的沸石分子筛材料，其主要依据是分子筛内部孔径大小：当分子筛内部孔径大于氮气氧气的分子动力学直径而小于氟化液时，就可以实现在混合气体中对氮气氧气的选择性吸附。
进一步地，本公开实施例中设置的各阀门均采用三通阀，通过各阀门可控制气体单通道流动。
本公开实施例提供的吸附分离装置的工作过程如下：
初始通入空气与有机氟化液蒸汽的混合气体前，通过第一阀门3.1将真空泵5与吸附塔1.1连接，以对吸附塔1.1进行抽真空处理，使吸附塔1.1内部处于低压状态，待吸附塔1.1内外的压力差达到设定值后改变第一阀门3.1的开启方向，使得吸附塔1.2与真空泵5相连并进行抽真空过程，使吸附塔1.2内外压力差也达到与吸附塔1.1的内外压力差相同的设定值。在第一阀门3.1开启方向改变后的同时，可通过打开第二阀门3.2使得空气与有机氟化液蒸汽的混合气体通入加压支路，经加压泵4对混合气体进行加压处理，同时通过流量计6测定并监测混合气体的流速与流量，当流速或流量高于流速或流量的设定值时，加压泵减小加压力度，当流速或流量低于流速或流量设定值时则增大加压力度。此时，第二阀门3.2向左侧吸附塔1.1开放、向右侧吸附塔1.2关闭，混合气体经过管道、第二阀门3.2和温度计2.1后进入左侧吸附塔1.1，经过气体均布件8.1后与吸附塔1.1中装填的吸附剂沸石分子筛充分接触后混合气体中的空气被吸附。随后将第三阀门3.3向左侧吸附塔1.1打开，完成吸附分离后的气体经温度计2.2、第三阀门3.3与氟化液纯度检测器7后进入收集罐9，过程中，监测温度计2.1和2.2的读数，若温度高于设定值则适当减少加压支路中的气体流量。当氟化液纯度检测器7检测气体中氟化液纯度低于设定值时认定吸附塔1.1吸附已经达到饱和状态，此时改变第二阀门3.2的开启方向，使第二阀门3.2与吸附塔1.2的进气口连通，新的混合气体经第二阀门3.2后进入吸附塔1.2中重复上述过程进行对空气的吸附；同时使第一阀门3.1与左侧吸附塔1.1的进气口连通，将满吸附状态的吸附塔1.1与真空泵5相连接，在真空泵5的作用下对吸附塔1.1进行抽真空处理，实现吸附塔1.1中的空气脱吸附与分子筛的再生。当吸附塔1.2完成完全吸附后将第一阀门3.1、第二阀门3.2和第三阀门3.3均反向打开，使用完成再生的吸附塔1.1继续进行变压吸附，对吸附塔1.2进行脱吸附，从而实现整个吸附过程的循环。
以下验证本公开实施例提供的吸附分离装置的有效性：
首先，选择沸石分子筛作为吸附剂具有如下优点：
1、选择性高：活性炭、硅胶等其他种类的吸附剂无固定孔道结构且孔径变化范围较大，因此对吸附分子的选择性较差。而沸石分子筛具有较为规整的晶体结构，晶体内部具有均匀分布的孔道结构，孔道大小、形状固定，可以选择性地控制部分种类的分子进入，而其他种类无法进入，具有很高的吸附选择性。
2、吸附量大：沸石晶体内部存在空洞和孔道，其体积约占沸石晶体总体积的50％左右，且孔道分布均匀，孔径与一般气体分子尺寸相当。因此，沸石分子筛具有较高的吸附量。
表1是通过分子模拟方法得到的各种拓扑结构的分子筛在298K、300KPa压强下对氮气、氧气和氟化液分子的吸附量数据。
表1
通过模拟结果可以看出，通过选择合适孔径和拓扑结构的沸石分子筛，可以实现对空气中氮气、氧气分子较高吸附量的同时基本不吸附氟化液分子。因此，综合考虑了氮气氧气的吸附量以及氮氧吸附量与氟化液吸附量的比值，选择氮氧吸附量高而氟化液吸附量相对较小的分子筛作为吸附剂，以此实现空气-氟化液蒸汽的分离。
另外，相较于选择性吸附大分子，选择性吸附小分子的过程具有更低的吸附热，吸附过程放出更少的热量，可以有效减少由于吸附放热导致对吸附装置的冷却所需的能耗。
具体来说，当以具有MOR拓扑结构的丝光沸石进行吸附时，在温度298K、压强在200KPa、氮气氧气氟化液蒸汽体积比为4：1：5的条件下，氮气氧气的吸附热大小相近，而氟化液蒸汽的平均吸附热约为氮气、氧气平均吸附热的五倍：具体而言，当分离1kg的氟化液，当吸附空气时，吸附热约57.69kJ；当吸附氟化液时，吸附热约277.49kJ。相故而选用特定的不吸附氟化液而能够吸附以氮气、氧气为主要成分的空气的沸石分子筛(如具有FER拓扑结构的镁碱沸石)更加节能、环保，具有更大的优势。
同时，由于本装置采用的吸附剂对于氮气、氧气的吸附量随温度升高而降低，整体吸附数据随温度变化较好地符合Langmuir方程，而在实施例中工作温度为298K，实际工作温度可能有所变化，而当温度升高到303K时氮氧实际吸附量约为298K条件下的93％，308K时约为298K条件下的85％，其吸附量随温度变化较大，故而本装置的工作最高温度设置应根据具体种类的分子筛对于氮气、氧气的吸附量随温度的变化来确定(在本实施例中为308K)，选择在该温度下吸附量满足阈值的最高温度值以确保吸附剂对氮气氧气的吸附量较大，装置对于混合气体的分离效果较好。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置，其特征在于，包括：
吸附塔，所述吸附塔内均容纳有吸附剂，所述吸附剂采用沸石分子筛，其孔径根据氮气分子、氧气分子和氟化液分子动力学直径的相对大小来确定，并选择对氮气分子和氧气分子的吸附量均大于对氟化液分子的吸附量、同时对氮气分子与对氟化液分子的吸附量之差以及对氧气分子与对氟化液分子的吸附量之差均满足阈值要求的沸石分子筛；
抽真空支路，与所述吸附塔的进气口连接，用于对所述吸附塔进行抽真空处理；
加压支路，与所述吸附塔的进气口连接，用于将空气与有机氟化液蒸汽的混合气体输送至抽真空处理后的所述吸附塔内；和
回收支路，与所述吸附塔的出气口连接，用于对从所述吸收塔排出且满足纯度要求的有机氟化液蒸汽进行收集。
2.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，所述沸石分子筛的孔径大于氮气和氧气分子的动力学直径而小于氟化液分子的动力学直径。
3.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，所述沸石分子筛的孔径大小为
4.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，在所述吸附塔的进气口与出气口处均分别设置有温度计。
5.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，在所述吸附塔内且靠近其进气口处设有气体均布件。
6.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，所述抽真空支路通过设有第一阀门的所述吸附塔的进气口连接，所述抽真空支路包括设有真空泵的第二管路。
7.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，所述加压支路通过设有第二阀门的第三管路与所述吸附塔的进气口连接，所述加压支路包括设有加压泵和气体流量计的第四管路，所述气体流量计设置在所述加压泵的出口端。
8.根据权利要求1所述的吸附分离装置，其特征在于，所述回收支路通过设有第三阀门的第五管路与所述吸附塔的出气口连接，所述回收支路包括设有氟化液蒸汽纯度检测器和回收罐的第六管路。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的吸附分离装置，其特征在于，所述吸附分离装置含有的所述吸附塔的个数至少为一个。
10.根据权利要求9所述的吸附分离装置，其特征在于，所述吸附分离装置含有的所述吸附塔的个数为多个，所述抽真空支路、所述加压支路和所述回收支路均交替地与所有所述吸附塔中的其中一个连接，使所述吸附塔完成吸附与脱吸附的循环过程。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310445681.1A CN116371139A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置 |
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| CN202310445681.1A CN116371139A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置 |
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| CN116371139A true CN116371139A (zh) | 2023-07-04 |
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Family Applications (1)
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| CN202310445681.1A Pending CN116371139A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 空气与有机氟化液蒸汽的吸附分离装置 |
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|---|---|
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-
2023
- 2023-04-24 CN CN202310445681.1A patent/CN116371139A/zh active Pending
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