CN1239230C - 用于吸附剂再生的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于从气体中吸附组分并随后通过加热脱附所述组分从而使吸附剂再生的吸附剂容器(24)，所述容器包括一个再生气体的进口和一个再生气体的出口，该进口具有包含至少一个加热元件(48)的入口喷嘴(40)，所述再生气体的入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括包含吸附剂主体(28)的流体腔室，其中所述的吸附剂主体(28)具有邻近所述再生气体的入口的第一端和远离所述再生气体的入口的第二端，将每个加热元件(48)进行设置以不穿透吸附剂主体(28)的所述第一端。

Description

用于吸附剂再生的装置
技术领域
本发明涉及用于从气体中吸附组分并随后通过加热使被吸附组分脱附从而使吸附剂再生的吸附剂容器。本发明还涉及用于从气体混合物中通过交变吸附去除组分的装置及操作该装置的方法，所述的交变吸附包括变温吸附及其相关工艺和辅助加热的变压吸附，所述的操作方法包括低温蒸馏前空气的预净化。
背景技术
在很多情况下需要通过固体吸附剂上的吸附从气流中去除气体组分，并伴随着吸附剂的周期性再生。被去除的气体组分可能具有内在价值，或者它们可能污染气体混合物中的组分。
在这些方法中，通常将引入的气流与吸附剂容器中含有的固体吸附剂接触以吸附待去除的一种或多种组分，并且这些组分逐步在吸附剂上累积。在吸附剂上被去除的一种或多种组分的浓度逐渐增加，如果该过程持续足够长的时间，则被吸附组分将穿过吸附剂床层的下游端。在这种情况发生之前，需要再生吸附剂。
在变压吸附(PSA)体系中，进行再生时停止进入吸附剂的被处理气流，使吸附剂减压并且通常是通过以与产物流方向逆流的方向通过床层通入再生气体进行，再生气体中被吸附组分的浓度低于其床层浓度。任选地，可以在再生气体流中加入一些热量，但目的通常是在被吸附组分在吸附剂床层上吸附产生的热扩散出含吸附剂的容器外之前进行再生。
热脉冲的方向与再生过程相反，所述的气体组分吸附产生的热在再生过程中用于该组分的脱附。这样至少在很大程度上避免了在再生过程中加入热量的需要。
另一种方法被称为变温吸附(TSA)。在TSA中，循环时间延长，上述的热脉冲在进料或在线阶段可进行到吸附剂床层的下游端之外。为实现再生，因此需要供热使吸附的气体组分脱附。最后，将所用的再生气体加热一段时间以产生热脉冲，该热脉冲以与正常进料逆流的方向穿过床层。这种热的再生气体流之后通常是一股冷的再生气体流，该冷气流继续推移该热脉冲穿过床层直至上游端。TSA的特征在于相对于PSA延长的循环时间。Von Gemmingen，U在“Reports on Technology”第54-94页的“空气分离装置中吸附干燥器的设计”(Linde)中描述了TSA的方法，该方法采用比正常温度低的温度，即80～130℃以及较短的循环时间。
US 5855650中描述了一种传统的TSA过程的改进，将其称为TPSA。其中，将再生气体在再生期间加热，以便加入到再生气体中的热量就不超过被吸附气体组分在吸附期间所释放的吸附热的90％，对再生气体的加热结束之后继续进行再生过程以继续解吸所吸附的气流组分。
US 5614000中描述了TSA过程的进一步变型，称为TEPSA。其中，将两种不同气体组分如水和二氧化碳在进行吸附过程中吸附。在再生期间以与进料逆流的方向通入加热过的再生气体产生以所述逆流方向穿行的热脉冲，从而脱附两种被吸附组分中吸附较弱的那一种。然后，停止加热再生气体并持续通入再生气体直至吸附较强的组分通过变压脱附过程进行脱附，该再生气体是在低于吸附期间的压力下通入的。
尽管本发明与传统的TSA体系相关，但是它尤其适用于再生气体加热时间通常比传统的TSA体系短的TPSA或TEPSA体系。
通常在上述的吸附体系中，至少采用两个吸附剂容器并且平行连接。在任何指定的时间内，其中之一从进料气流中吸附一种或多种组分，同时，另一个正在或等待再生或将要进行吸附。含有吸附剂的容器分别通过第一歧管与待净化的气源连接。将吸附剂容器的下游端类似地通过第二歧管与再生气体源连接。
提供再生气体的加热器通常排布在产物流进方向上的第二歧管的下游(再生气体流进方向的上游)，以便适于为给所述的两个吸附剂容器中的任一个提供所需的加热气体。
另一种排布是在每个吸附剂容器内部吸附剂的上游或之中安置加热器(参见作为常用例子的US 5213593，WO 96/14917和US 3193985)。这样的加热器可穿过从容器的一端延伸至接近另一端的内管。
正如我们现在所了解的，这些排布都有明显的缺陷。在将常用加热器安置在连接两个吸附剂容器的歧管的另一侧的情况下，相当多的时间用于经加热器加热的气体到达并开始加热床层上的吸附剂。由此不仅要保证气体从加热器流到吸附剂床层所需的时间，而且要保证在热再生气体的全部温度开始传送给吸附剂之前气体加热所有中间管道和阀门所需的附加热量的供给。尤其要注意的是在TSA和TEPSA型体系中再生气体的加热时间比较短。
另一方面，在加热器安装在含吸附剂的容器内的情况下，加热器的维护以及往吸附剂容器中装填吸附剂的难度增加。由于缺乏充分混合、热量分布不均和热传递低于最佳量，所以保证每个吸附剂颗粒被加热到能完全再生的适宜温度的难度也增加。吸附剂材料不具有高的传热特性并且气体和吸附剂之间的传热系数低。多种类型的加热器可用于吸附剂容器的内部，其包括微波辐射、电子加热元件、带伸入容器内部的径向翅片的外部加热套和轴向延伸的居里点加热器。然而，所有这些直接加热法都存在上述的困难。
EP 1072302A公开了一种排布，其中从包含加热器的腔室的主体中伸出其多孔管壁中具有催化材料的管。再生气体经过该腔室进行加热并流过催化材料。
发明内容
本发明现提供一种用于从气体中吸附组分并随后通过加热脱附所述组分从而使吸附剂再生的吸附剂容器，所述容器包括一个再生气体的入口和一个再生气体的出口，该入口具有包含至少一个加热元件的入口喷嘴，所述的再生气体的入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括包含吸附剂主体的流体腔室，其中所述的吸附剂主体具有邻近所述的再生气体的入口的第一端和远离所述的再生气体的入口的第二端，将每个加热元件进行设置以不穿透吸附剂主体的所述第一端。喷嘴的截面面积设置为当气体从入口流过容器到经过出口释放时，穿过喷嘴的气体速度与表面容器速度之比大于1.5，例如2.8，优选4左右。
将流过喷嘴的气体速度在气体的体积流率和喷嘴的截面面积的基础上进行计算，其总截面尺寸小于其中加热元件所占的空间。
本文中表面容器速度是以通过吸附剂容器的气体的体积流率和流过容器的气体流动途径的截面面积为基础计算的气体速度，忽略其中存在的吸附剂。
加热元件上的气体速度与吸附剂容器中的表面容器速度之比将根据本发明所述优选的排布与在吸附剂容器中使用加热元件的排布进一步区分开来，增进了再生气体和吸附剂之间的混合及热量的均匀分布，从而提供了加热元件和再生气体之间较高的传热系数。
将加热元件设置在与吸附剂容器相连的喷嘴内，而不是设置在通过由管道和阀门构成的歧管与吸附剂容器相连的较远的位置，以确保更好地在定向和定形的热脉冲中施加给再生气体的热量能迅速地传递给吸附剂，从而缩短再生循环时间。
吸附剂的再生适宜使用再生气体在高于床层的吸附温度下进行，适宜的是0～200℃，优选40～100℃。再生过程中再生气体和原料气的摩尔流率之比为0.5～0.8，优选0.1～0.5。
适合的是，在TSA和TPSA过程中，向吸附区输送进料气6～1000分钟，优选70～300分钟。在TEPSA过程中，适合的是，向吸附区输送进料气10～200分钟，优选20～120分钟，这取决于纯化气体的可用性。
优选地，在本发明的容器中，从所述的至少一个加热元件到容器中吸附剂的距离不超过2.5米，更优选不超过1.5米，例如0.5米左右。
本发明包括用于从气体混合物中通过具有吸附剂再生阶段的交变吸附过程去除至少一种组分的装置，所述装置包括：
一个吸附剂容器，该容器包括一个所述气体混合物的入口和一个净化气体的出口，其被流动途径分隔，该流动途径包括含有吸附剂主体的流体腔室；还具有一个再生气体的入口和一个再生气体的出口，其被流动途径分隔，该流动途径包括所述的流体腔室，所述气体混合物的所述入口和所述净化气体的所述出口任选还构成所述再生气体的出口和所述再生气体的入口，所述再生气体的入口具有含有至少一个加热元件的入口喷嘴，其中，所述吸附剂主体具有邻近所述再生气体入口的第一端和远离所述再生气体入口的第二端，将该加热元件或者每个加热元件进行设置以不穿透吸附剂主体的所述第一端。
连接到所述气体混合物入口的待分离的气体混合物的源头，
连接到所述再生气体入口的再生气体源以及进行吸附和再生操作的控制设施，其中：
气体混合物以第一流向流过所述的吸附剂，通过吸附至少一种组分而被净化，以及停止通过吸附剂的气体混合物的流动，
再生气体以相同或相反的流向流过吸附剂，将所述的再生气体用所述的加热元件加热，以及
停止再生气体的流动，恢复气体混合物的流动。
优选该装置包括两个或多个并联排布的所述吸附容器，在至少一个所述容器进行吸附的同时，至少一个其他的所述容器进行再生。
所述的控制设施优选操作所述的装置以进行TSA、TEPSA或TPSA。
本发明还提供一种从气体混合物中去除至少一种组分的交变吸附方法，所述方法包括：
在吸附阶段，将所述气体混合物以第一方向通入吸附剂容器，该容器包括一个所述气体混合物的入口和一个净化气体的出口，其被流动途径分隔，该流动途径包括含有吸附剂主体的流体腔室；还具有一个再生气体的入口和一个再生气体的出口，其被流动途径分隔，该流动途径包括所述流体腔室，所述气体混合物的所述入口和所述净化气体的出口任选还构成所述再生气体的所述出口和所述再生气体的入口，所述再生气体的入口具有包含至少一个加热元件的入口喷嘴，其中所述吸附剂主体具有邻近所述再生气体入口的第一端和远离所述再生气体入口的第二端，将所述加热元件或者每个加热元件进行设置以不穿透吸附剂主体的所述第一端，从而吸附至少一种组分以净化所述的气体混合物，并且在一段时间后停止通入容器的所述气体混合物的流动，以及
在再生阶段，以相同或相反的流向通过所述再生气体入口向容器内通入再生气体，同时通过所述加热元件将所述的再生气体加热一段时间，停止所述再生气体的流动，恢复所述气体混合物的流动。
在再生阶段所述加热的持续时间优选不超过90分钟(适用于TEPSA)，任选地不超过60分钟，例如不超过30分钟(两者都适用于TPSA)。
加热元件与吸附剂之间的距离优选使热脉冲在加热元件的最下游端点与吸附剂之间的传输时间不超过4分钟。
优选地，在开始进行时，再生气体的恒定加热速率使得吸附剂上游的再生气体在不超过1分钟的时间内就迅速达到基本上为稳定态的温度。
适合的是，待净化的气体是空气，而通过吸附除去的组分包括水和二氧化碳。
本发明包括通过低温蒸馏分离空气以得到富氧气体和富氮气体的方法，包括利用上述的交变吸附方法对空气预净化以至少除去二氧化碳和水。
附图说明
结合附图来进一步描述和阐明本发明，其中：
图1表示与低温空气分离装置相连接的常用的TSA预分离净化单元；
图2表示本发明的吸附剂容器的一端的纵切面示意图；
图3以与图2相似的方式表示图2所示装置的一个变形，其中的吸附剂床是径向流体床；并且
图4以半截面表示图2所示装置的一个变形，其采用了可选类型的加热器。
具体实施方案
尽管本发明可广泛地应用于通过交变吸附过程对气体混合物中气体组分的分离，我们还是在以下的描述中结合在低温空气分离之前去除水、二氧化碳和其它次要污染物对空气进行的预净化过程对本发明进行举例说明。
空气的低温净化需要预净化步骤除去高沸点、危险的物质。主要的高沸点空气组分包括水和二氧化碳。如果不从环境空气中去除这些杂质，水和二氧化碳将在分离过程的冷却部分(包括换热器和液氧池)冻结出来，从而导致压力下降、流体问题和操作问题。必须除去包括乙炔、氮氧化物和其它烃类在内的多种危险物质。高沸点烃类是一个难题，因为它们会在蒸馏塔的LOX部分浓缩，导致潜在的爆炸性危险。
空气的预净化通常用包括TSA或PSA的吸附净化过程来进行。
TSA过程需要将再生气体流加热到高于周围温度。在过去这些过程可包括150℃或更高的再生气体的温度。对于再生过程，一种常用的排布是安装的加热器在吸附剂容器之间被共用并且通常按照如图1所示的管路和阀门排布方式与吸附剂容器连接。
在本文中，空气分离装置包括低温蒸馏部分10和预净化部分12。预净化部分包括主空气压缩机14输送压缩空气到后冷却器16，该冷却器使环境中的水从压缩、冷却的空气中冷凝出来，并且将该环境中的水在压缩空气在亚冷却器20中进一步冷却之前在分离器18中除去。将冷却的压缩空气加入到连接两个相同的吸附剂容器24，26中每一个的上游端的入口歧管组件22中。其中每个吸附剂容器都包含一层或多层构成吸附剂床层28的固体吸附剂，该吸附剂层具有第一端54和其相对端56。通风机57置于床层28之上，另一个类似的通风机置于床层28之下。吸附剂容器24，26在其上游端或下游端被下游歧管组件30连接。歧管30的下游是加热器32其被连接以接收干燥气流，例如通过管线34来自低温分离单元10的氮气。净化后的压缩空气通过管线36从预净化部分12流到低温分离部分10。
在使用中，将压缩后的空气通过入口歧管22加入到两个床层24、26之一，在床层上将水和二氧化碳以及其它杂质吸附。净化后的空气通过歧管30经管线36流进低温空气分离单元10。在吸附进行了足够长的时间后，用入口歧管22切换入口空气流到两个吸附剂容器24和26中的另一个。然后使气体流例如氮气通过管线34流到加热器32并且通过出口歧管30到达先前进行吸附的床层。再生气体加热时间的长短取决于所操作的过程是纯粹的TSA过程还是它的一个变形，如TPSA或TEPSA。
根据本发明提供的改进，将加热器32除去，在吸附剂容器的产物流下游端给每个吸附剂容器提供被包含在再生气体入口喷嘴之中的加热器，如图2所示。在本文中，所示的容器24邻近吸附剂28的第一端54处装有喷嘴40并且具有入口臂42和带法兰的出口44，它与吸附剂容器24的端口法兰46相配对。在喷嘴40的主段中安置加热单元48，该单元有众多手指状加热元件50，这些元件沿着与入口臂42呈直角的方向相互平行延伸，通常也与吸附剂容器24的轴线平行。
分配器或过滤器组件52设置在法兰44和46之间，向下延伸至低于加热元件的末端。加热元件在达到吸附剂床层28的顶端54之前终止。
当容器24进行再生时，将再生气体通过歧管30加入到入口42，在它流过喷嘴时切换到加热器48对其进行加热。
这样在再生气体进入吸附剂容器24时得到快速和均匀的加热。
如图3所示，另一种实施方案与上述装置相类似，所不同的是设定的吸附剂床层是径向流动而不是图2所示的轴向流动。将吸附剂置于吸附剂床层28的第一端54处的环形器壁60之下。轴向输送管62从喷嘴40向下延伸穿过吸附剂床层，床层内具有管壁孔64。管子62在邻近床层第二端的遮没板(未示出)处终止，遮没板的边缘有孔可以使气体流进，并且从吸附剂床层径向外延的环形空间66与位于吸附剂床层之下的通风空间相连通，从通风空间引出再生气体出口(同样作为待净化气体的入口)。作为选择，正如从现有技术所公知的，空间66的出入可以与通风体系57相连通，入口/出口可以设置在与通风体系相连通的器壁上。
在使用中，待净化的气体通过进料气入口(未示出)流进容器，以径向流经吸附剂，进入管子62再从喷嘴40流出。再生时，再生气体通过喷嘴40引入，用元件50加热，向下流经管子62通过孔64进入吸附剂床层28。再生气体从环形空间66回收再通过再生气体出口释放。
图4中，喷嘴40采用管路形式连接于再生气体供应处和气体分离单元，管线在法兰44处终止，法兰上附有很多压力密封件和内部装有各自独立的加热元件50的加热翅片70。当向这些元件施加能量时，热量会从元件50传递到加热翅片。这些置于高流速区域的元件会高效率地传递热量到再生气体。由于加热器内的高度紊流，气体能够很好地混合。如果也将过滤器组件52(它是任选的)包括在内，将会发生额外混合。这样，吸附剂床层将会处于均一温度的再生气体流中。
加热元件的热源可以是各种形式，包括电阻加热器、微波和蒸汽。
正如所阐明的，本发明的优势包括避免了伴随单独的加热器的压力容器、管路的热装置、阀门和吸附剂容器自身而来的费用，在图1所示的流程中每次需要加热时，也需要将这些器件加热到再生气体的温度。此外，此前讨论的伴随加热元件置于吸附剂容器内而来的加热不均匀和其它操作困难也都避免了。
作为举例，假设将2700Nm3/hr(标准立方米每小时)的氮气流作为再生气体在1.1bara下通过从加热器到吸附剂容器距离在11m以上的直径为0.21米的管路，气体的停留时间为5秒，而热脉冲的停留时间为12分钟(即再生气体到达容器使之达到同一温度的时间)，在加热器到容器的距离为7m时热脉冲的停留时间为10分钟。然而，正如所阐明的，使用本发明的流程，热脉冲的停留时间基本为零。
本发明也可用于除了本发明所例举的之外的其它几何形状的容器，例如采用水平和垂直的吸附床层，以及再生气体流向上而不是如图2所示的向下的床层。
在本说明书中，除非特别指明，在操作者的语义中，词语“或”在使用时返回真值，当两个所述的情形之一或二者都满足时使用“或”，其与要求只满足一种情形时可采用的“仅或”意义相反。所用的“包括”意味着“包括”而不是指“由......组成”。

Claims (10)

1、一种从气体混合物中去除至少两种组分的TEPSA交变吸附方法，所述至少两种组分包括吸附较弱组分和吸附较强组分，
在吸附阶段，将所述气体混合物以第一方向通入吸附剂容器，该容器包含一个所述气体混合物的入口和一个净化气体的出口，该入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括包含吸附剂主体的流体腔室，并具有一个再生气体的入口和一个再生气体的出口，该入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括所述流体腔室，所述气体混合物的所述入口和所述净化气体的出口任选还构成所述再生气体的出口和所述再生气体的入口，所述再生气体的入口具有包含至少一个加热元件的入口喷嘴，其中所述吸附剂主体具有所述邻近再生气体的入口的第一端和远离所述再生气体的入口的第二端，将所述加热元件或者每个加热元件进行设置以不穿透吸附剂主体的所述第一端，通过吸附至少两种组分以净化所述的气体混合物，一段时间后停止通入容器的所述气体混合物的流动，以及
在再生阶段，以相反的流向通过所述再生气体的入口向容器内通入再生气体，同时通过所述加热元件将所述的再生气体加热一段时间，以脱附所述吸附较弱组分，终止所述再生气体的加热，并且将处于低于吸附阶段压力的再生气体连续通过吸附剂，以脱附所述吸附较强组分，停止所述再生气体的流动，并恢复所述气体混合物的流动。
2、如权利要求1所述的方法，其中再生阶段的所述加热的持续时间不超过90分钟。
3、如权利要求2所述的方法，其中再生阶段的所述加热的持续时间不超过60分钟。
4、如权利要求3所述的方法，其中所述加热的持续时间不超过30分钟。
5、如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中加热元件与吸附剂之间的距离使得在加热元件的最下游端点和吸附剂之间的传输时间不超过4分钟。
6、如权利要求1所述的方法，其中当开始进行时，再生气体的恒定加热速率使得吸附剂上游的再生气体在不超过1分钟的时间内就迅速达到基本上为稳定态的温度。
7、如权利要求1所述的方法，其中气体是空气，并且通过吸附去除的组分包括水和二氧化碳。
8、一种通过低温蒸馏分离空气以得到富氧气体和富氮气体的方法，其包括通过权利要求1至7中的任一项所述的TEPSA交变吸附方法对空气预净化以至少除去二氧化碳和水。
9、用于从气体混合物中通过具有吸附剂再生阶段的TEPSA交变吸附过程去除至少两种组分的装置，所述至少两种组分包括吸附较弱组分和吸附较强组分，所述装置包括：
一个吸附剂容器，该容器包括一个所述气体混合物的入口和一个净化气体的出口，该入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括包含吸附剂主体的流体腔室，并具有一个再生气体的入口和一个再生气体的出口，该入口和出口被流动途径分隔，该流动途径包括所述的流体腔室，所述气体混合物的所述入口和所述净化气体的出口任选还构成所述再生气体的出口和所述再生气体的入口，所述再生气体的入口具有包含至少一个加热元件的入口喷嘴，其中所述吸附剂主体具有邻近所述再生气体入口的第一端和远离所述再生气体入口的第二端，将所述加热元件或者每个加热元件进行设置以不穿透吸附剂主体的所述第一端，
连接到所述气体混合物入口的待分离的气体混合物的源头，
连接到所述再生气体入口的再生气体源以及进行吸附和再生操作的控制设施，在所述装置中：
气体混合物以第一流向流过所述的吸附剂，并通过吸附至少两种组分而被净化，以及停止通过吸附剂的气体混合物的流动，
再生气体以相反的流向流过吸附剂，将所述的再生气体用所述的加热元件加热，以脱附所述吸附较弱组分，
终止所述再生气体的加热，并且将处于低于吸附阶段压力的再生气体连续通过吸附剂，以脱附所述吸附较强组分，以及
停止再生气体的流动，并恢复气体混合物的流动。
10、如权利要求9所述的装置，其包括两个或多个并联排布的所述吸附剂容器，以进行下述操作，即在至少一个所述容器进行吸附的同时，至少一个其他的所述容器进行再生。
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