CN1239245C - 颗粒床的约束系统 - Google Patents

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Abstract

约束容器中颗粒材料向上运动的系统，所述容器含有颗粒材料床，流体以向上方向流经该床。所述系统包括在容器内与颗粒材料床顶部接触并与颗粒材料床之上的容器内壁接触的柔性多孔篮，其中所述多孔篮具有小于颗粒材料的最小颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述开口。所述系统还包括位于柔性多孔篮内的固体层，其中所述固体对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床之上的圆筒形容器内壁向柔性多孔篮施压，其中在固体层中的所述固体具有大于颗粒材料的平均颗粒直径的平均直径，且构成所述固体的材料具有大于颗粒材料堆积密度的密度。

Description

颗粒床的约束系统
技术领域
本发明涉及一种颗粒床约束系统。
具体地，涉及约束容器中颗粒材料向上运动的系统。
背景技术
通过使呈轴向流动的流体与含有特定物质的颗粒材料的固定床相接触，可将在流体物流中的组分转化或除去，其中所述的特定物质与流体物流中的所述组分发生物理或化学的相互作用。实例包括分离或纯化气体或液体的吸附方法、催化化学反应方法、和通过离子交换从液体中除去污染物。在这些应用中，颗粒材料会因向上流动的流体而经受相当大的流水剪切力作用，其可导致颗粒材料不希望的运动。
在变压吸附方法中，例如，在各操作循环过程中的一定时刻，吸附床会经受高的气流速度。所述变压吸附操作循环包括的基本步骤有吸附、减压、吹扫、和再加压，且还可包括压力均化和提供吹扫气的步骤，其中气体从降压的床转移到处于恒定或增加压力的另一床。在这些步骤中的一些中，气体以向上方向流经所述床，如气体流速足够高，会发生床的提升或吸附剂流态化。
当将高流速的气体引入到轴向流动床的底部，而几乎不从床的顶部引入气流时，例如在进料再加压过程中，可能发生床的提升。由于压力降低而在床的底部产生的力可超过床的重量，因而引起床整体提升。
由于在床顶部的高的气体流速使得在床的该部分可发生流态化。例如在压力均化或提供吹扫气的步骤可能发生这种情况，其中气体以高速自床的顶部流入而同时没有气体流入床的底部。如床顶层两端的压降超过吸附剂颗粒的重量，会发生流态化。
床提升和流态化现象是不希望出现的，其会对颗粒床的整体性产生不利影响。可能发生床混合、形成通道、扬尘、和材料的带出，这需要将操作关机以进行校正性维护，在某些情况下，会需要将在容器中的颗粒材料排出并重新填装。虽然可设计流体流动控制系统使得向上流体的压降不对颗粒材料产生过量的提升力，但这种途径孕含的危险是由于设备的失效仍会发生床提升和流态化。因而希望通过将容器设计为不会发生床提升和流态化来消除这种危险。以下叙述的以及所附的权利要求所限定的本发明提供了特殊的床设计，它在处理流体物流的方法中消除了床提升和流态化作用。
发明内容
本发明涉及约束容器中颗粒材料向上运动的系统，所述容器含有颗粒材料床，流体以向上方向流经该床。所述系统包括：
(a)在容器内与颗粒材料顶部接触与颗粒材料床之上的容器内壁接触的柔性多孔篮，其中所述多孔篮具有小于颗粒材料的最小颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述开口；和
(b)位于柔性多孔篮内的固体层，其中所述固体对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床之上的圆筒形容器内壁向柔性多孔篮施压，其中在固体层中的所述固体具有大于颗粒材料的平均颗粒直径的平均直径，且构成所述固体的材料具有大于颗粒材料堆积密度的密度。
所述颗粒材料可为吸附剂材料，所述流体可为气体。在固体层中的固体可由选自矿物质、陶瓷、和金属中的材料构成。构成固体层中的固体的材料的密度通常可为颗粒材料的堆积密度的约1.5至约8倍。在固体层中的固体可包含陶瓷球。
在固体层中的固体的平均直径可为颗粒材料的平均颗粒直径的约1.5至约3倍。固体层的深度通常可为约76.2毫米至约152.4毫米(约3至约6英寸)。
可有多个附加的固体位于固体层的顶部。这些附加固体的平均直径可为约10至约50mm。这些附加固体中的至少一些可位于柔性多孔篮内。所述附加固体可由选自矿物质、陶瓷、和金属的材料构成。
在固体层中的固体可由选自矿物质、陶瓷、和金属的材料构成。在固体层中的这些固体和所述附加的固体可包含陶瓷球。
圆筒形容器具有顶盖和底盖。至少一部分附加固体可与圆筒形容器的顶盖相接触并受其限制不能向上运动。至少一些附加固体可与多孔过滤器组件相接触并受其限制不能向上运动，所述过滤器组件与圆筒形容器的顶盖相接触。
非必需地，至少一部分附加固体还可通过机械地施加在第二层中固体上的向下的力来限制其向上的运动。
本发明还涉及吸附塔组件，其包括：
(a)具有顶盖和底盖的圆筒形容器；
(b)与容器底盖相连接的流体出入管装置，和与顶盖相连接用来从所述容器排出流体的流体出入管装置；
(c)使容器部分充满的颗粒吸附剂材料床；
(d)在圆筒形容器内的柔性多孔篮，其与颗粒材料床的顶部接触并与高于颗粒材料床顶部的容器内壁接触，其中所述多孔篮具有小于颗粒材料的最小颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述开口；和
(e)位于柔性多孔篮内的固体层，其对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床之上的圆筒形容器内壁向所述柔性多孔篮施压，其中在固体层中的固体的平均直径大于颗粒材料的平均颗粒直径，且构成所述固体的颗粒的密度大于颗粒材料的堆积密度。
在吸附塔组件中，固体层的深度通常可为约76.2毫米至约152.4毫米(约3至约6英寸)。可有多个附加固体位于固体层的顶部。这些附加固体的平均直径可为约10至约50mm。
所述吸附塔组件还可包括位于附加固体与圆筒形容器的顶盖之间的多孔过滤器组件，其中至少一些固体可与所述顶盖和多孔过滤器组件相接触。
本发明还涉及限制容器中颗粒材料向上运动的方法，其中所述容器具有顶和底盖，所述容器包含颗粒材料床，流体以向上的方向流径该床，
其中所述方法包括：
(a)提供具有尺寸小于颗粒材料中最小颗粒的开口的柔性多孔篮，使得颗粒材料不能穿过所述多孔篮的开口；
(b)将所述柔性多孔篮组装到圆筒形容器内，与颗粒材料床的顶部相接触并与在颗粒材料床顶部之上的圆筒形容器的内壁相接触；和
(c)在柔性多孔篮内放置固体层，其对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床的顶部之上的圆筒形容器的内壁向所述柔性多孔篮施压，其中在固体层中的固体的平均直径大于颗粒材料的平均颗粒直径。
所述方法还可包括如下附加特征：
(e)在固体层的顶部放置多个附加固体，其中所述附加固体的平均直径为约10至约50mm；和
(f)在附加固体与圆筒形容器的顶盖之间放置多孔过滤器组件，其中至少一些固体与顶盖和多孔过滤器组件相接触。
附图说明
图1是举例性容器系统的剖面图，其包括本发明的颗粒床约束系统。
图2是图1中床约束系统的放大图。
图3是柔性多孔篮、图1和2中所示的邻近的颗粒床、和邻近的层的示意图。
图4是图3所示的部分柔性多孔篮、邻近的颗粒床、和邻近的层的放大图。
图5是柔性多孔篮的立体图。
图6是表明柔性多孔篮制造方法的剖面示意图。
具体实施方式
本发明涉及在轴向床中颗粒材料约束系统的设计，所述系统可消除由于向上流动流体所致的床的提升和流态化。颗粒材料床可由位于所述床顶部并与含有所述床的容器内壁接触的柔性多孔篮所约束。在所述篮内可放置一层固体或密实、疏松材料以使所述篮紧密地靠向颗粒材料床的顶部和颗粒材料床以上的容器内壁。可在所述第一层固体之上放置多种附加的和更大的固体或密实、疏松材料以对第一种多个固体施加向下的力。
所述柔性多孔篮可由例如织造线网来制造，所述线网具有小于颗粒材料的最小单个颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述篮材料。其它材料可用于所述柔性多孔篮，如由金属、聚合物、或金属/聚合物材料的复合物制备的织造或非织造织物或网。无论其是由何种材料所制备，所述柔性多孔篮的典型特征是其一般具有充足的柔性以插入到吸附剂容器中，通常其对在颗粒床中加工的流体是惰性的，应具有小于颗粒材料中的最小颗粒的开口或孔使得颗粒材料中的颗粒不能穿过所述篮材料，且通常不对流过所述开口或孔的流体赋加不可接受的压降。所述篮的侧壁应具有足够的轴向长度以包封或包含固体或密实、疏松材料层或块的主要部分或其全部。所述篮应由由连续材料构成，并可由具有不同材料性能的连接件制备。
本发明在一个实例中涉及吸附剂床设计，其消除了在变压吸附系统中吸附剂床的提升和流态化。由图1的剖面图示意的本发明，是在用于气体或液体分离的变压吸附方法中所使用的颗粒床流体接触系统的实例。吸附搭组件1包括圆筒形容器3、顶盖5、和底盖7。底盖7包括流体出入管9。颗粒材料床11由支撑网组件13所支撑，所述组件13可为现有技术中公知的支撑颗粒吸附剂或催化剂材料的任何类型的网。顶盖5包括流体出入管15和进孔17，吸附剂材料和床压紧装置部件经过所述进孔17组装在所述容器中。
在床11中的颗粒材料可为在气体或液体吸附方法中所使用的任何吸附剂材料。另外，如前面所到的，所述颗粒材料也可为在化学反应系统中使用的催化剂或用于流体处理的离子交换树脂。
图2给出了吸附剂容器1顶部部分的放大图。这里非按比例所示的柔性多孔篮13与床11的顶部相接触。所述篮的垂直部分5与高于床11顶部的圆筒形容器3的内壁表面相接触。选择篮材料使得网中的开口小于床11的颗粒材料中的最小颗粒。
柔性多孔篮13充填一层密实、疏松材料，其包含多个固体19，所述固体19使得所述网篮轴向上紧靠床11的顶部表面和在径向上紧靠容器3的内壁。多个固体19可为任何密实、疏松材料，其提供将网篮13对着床11顶部表面并沿径向向外地对着容器3的内壁压紧的作用。固体19可选自石头或砾石、诸如挤出物或圆柱体的填料、或实心球。用于这一用途的固体19或例如为陶瓷球或圆柱形颗粒如由Norton Chemical Product Division以商品名Denstone 57出售的那些。另外，也可使用钢球或其它金属球。
密实、疏松材料或固体19的平均直径应大于颗粒材料的平均颗粒直径，且构成固体的材料的密度应大于颗粒材料的堆积密度。密实、疏松材料或固体19的堆积密度范围可为床11中颗粒材料的堆积密度的约1.5至约8倍。制备密实疏松材料或固体的物质的固体密度可为床11中颗粒材料堆积密度的约2.5至约13.5倍。单个固体19的平均直径可为床11中颗粒材料的平均颗粒直径的约1.5至约3倍。固体19层的轴向深度可为约3至约6英寸。
非必需地，如图2所示，还可在密实、疏松材料或固体19层的顶部安装一定数量的密实、疏松材料或多个固体21。可安装足够数量的固体21使得至少一些所述固体直接与顶盖5相接触。基本为刚性的圆顶形多孔过滤器组件23可连接到顶盖5的内表面上，且通常可与流体出入管25共轴。固体21可安装为使得至少一些所述固体直接与多孔过滤器组件23相接触。固体21与顶盖5和多孔过滤器组件23的接触约束并防止了固体21、固体19、多孔篮13、和在床11中的颗粒材料的向上运动。
固体21可选自石头或砾大石、诸如挤出物或圆柱形体的填料、或实心球。用于这一用途的固体21例如可为陶瓷球或圆柱形颗粒如由Norton Chemical Product Division以商品名Denstione57出售的那些。另外，也可使用钢球或其它金属球。
非必需地，还可通过适当的装置对在第二层中的固体机械地施加向下的力来约束至少一些固体21的向上的运动。施加这种力的一种装置可为靠弹簧或气压来活动的位于顶盖5中喷嘴(未示出)内的活塞。
通常，固体21的平均直径可为约10至约50mm。在多孔过滤器组件23中的孔优选小于固体21的平均直径。
在床11中的颗粒材料、多孔篮13、和构成固体19和21的密实、疏松材料可容易地由进孔17引入到容器的内部。流动挡板27可通过支架(未示出)连接到顶盖5或流体出入管25，用来分配流入多孔过滤器组件23中的流体。固体19和21也用来在流体向下流动过程中均匀地将流体分配到床11中和在流体向上流动过程中从床11中均匀地排出流体。
在图3中图示了(未按比例)吸附塔组件1的另一断面。柔性多孔篮13图示位于固体层19和床11顶部之间并位于固体层19和床11顶部之上的容器3内壁之间。固体19的尺寸和密度可在上述范围内选择使得柔性多孔篮13紧密地压贴在床11的顶部表面和容器3的内壁上。这后一种接触可防止床11中的颗粒材料的小颗粒在高的气体流速条件下在所述网与壁之间穿过。大于固体19的多个固体21对固体19施加向下的力。至少一部分固体21可包含在柔性多孔篮13内，且如这样，其对柔性多孔篮13和容器3的壁也提供了附加的向外的力。图4图示了图3断面的放大图，其更清晰地图示了床11的部件、柔性多孔篮13、固体19、和固体21。
在图5中以立体图(非按比例)图示了柔性多孔篮13。所述篮的直径可比其要安装在容器的内径大约0.25至1.0英寸。所述蓝的高度可大于固体层19的深度，并可邻近图3和4中所示的多个固体21延伸。所述篮的高度与直径比值通常为约0.03至约0.10，但如需要可使用其它比值。
所述柔性多孔篮可由例如织造线网来制造，所述线网具有小于颗粒材料的最小单个颗粒的开口。其它材料可用于所述柔性多孔篮，如由金属、聚合物、或金属/聚合物材料的复合物制备的织造或非织造织物或网。无论其是由何种材料所制备，所述柔性多孔篮的希望的特征是其具有充足的柔性，其对在颗粒床中加工的流体应是惰性的，应具有小于颗粒材料中的最小颗粒的开口或孔，且应不对流过所述开口或孔的流体赋加不可接受的压降。所述篮的侧壁应具有足够的轴向长度以包封或包含固体或密实、疏松材料第一层或块的主要部分或其全部。所述篮应由连续材料构成，并可由具有不同材料性能的连接件制备。
在图6中图示(非按比例)了制造柔性多孔篮13的例举性方法。首先，由选择的网材料来构成圆筒，其中所述圆筒直径比其要安装的容器的内径大0.25至约1.0英寸，且比完成的篮的所需垂直高度大约2至约4英寸。为实现之，将一张具有适宜尺寸的网材料成型为圆筒形，并通过适宜方法如点焊或铜焊将边缘连接。制备直径约等于上述圆筒直径的适宜网材料的平板圆环件。网圆筒的底部如图示折叠于壁段29中，网圆环件的边缘如图示折叠在部件31中形成卷边接缝33。然后将卷边接缝33中的网的邻近部分通过适当方法如点焊或铜焊连接以完成柔性多孔篮。如需要可使用其它制造方法。
通过将所述篮卷绕为小捆，将所述捆经进孔17移入，并细心地打开捆起的篮并将其置于床11的顶部表面，可将完成的柔性多孔篮安装在吸附剂容器1中。然后在吸附剂容器1的顶部区域顺序安装固体19和固体21。
如图1和2所示的安装的多孔篮和固体，通过这些组合部件的向下施加的重量，防止在床11顶部的吸附剂材料流态化。另外，安装的网篮和固体，通过其向下施加的重量并通过固体21与顶盖5和多孔过滤器组件23部分的接触，当经受在高的向上气体流动条件下的气体压降所引起的高的力时，防止整体床11向上移动。
实施例
通过如下实施例对本发明进行说明而非限制。按图1构造吸附剂容器，其内径为4600mm，并具有深度为1000mm的床11。所述床含有平均颗粒尺寸为1.4mm的颗粒分子筛吸附剂材料。所述吸附剂材料具有两层，底层为13X类型沸石，顶层为锂交换LSX类型沸石。通过上述方法参照图6用不锈钢网来制备如图5所示的柔性多孔篮。壁段29由30目网来制造，所述30目网由直径为0.0065英寸的丝线制成。由部件31构成的篮底部由38×40目的不对称网来制造，所述不对称网由直径为0.0075英寸的丝线制成。卷边接缝33通过点焊13mm中心(标称1/2英寸)来完成。完成的网篮的直径为4625mm，侧壁高度为250mm。
将所述多孔篮安装在床11的顶部，并用3mm(标称1/8英寸)直径的Denstone57陶瓷球充填至100mm(标称4英寸)的深度。在3mm球的顶部安装大量25mm(标称1英寸)直径的Denstone57陶瓷球，使得25mm球与吸附剂组件1的至少一部分顶盖5和多孔过滤器组件23相接触。
本发明的床约束系统得一种经受向上流体流动时在颗粒材料床中消除床提升和流态化的简单和有效的方法。所述柔性多孔篮不需要按严格的尺寸公差来制造，并可容易地安装在含有所述床的容器内的床的顶部上。所述篮通过其柔性，可通过充填所述篮中的密实、疏松材料或固体层紧密地压贴在容器的内壁和床的顶部。这可防止床顶部流态化并形成有效的密封来防止颗粒材料中的小颗粒逸出所述容器。作为非必需手段，使用较大的固体与较小固体层的顶部接触并与容器顶部的顶盖和多孔过滤波器组件相接触，可防止由于高的向上流体流速引起整体床的提升。

Claims (23)

1.约束容器中颗粒材料向上运动的系统，所述容器含有颗粒材料床，流体以向上方向流经该床，其中所述系统包括：
(a)在容器内与颗粒材料床顶部接触并与颗粒材料床之上的容器内壁接触的柔性多孔篮，其中所述多孔篮具有小于颗粒材料的最小颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述开口；和
(b)位于柔性多孔篮内的固体层，其中所述固体对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床之上的圆筒形容器内壁向柔性多孔篮施压，其中在固体层中的所述固体具有大于颗粒材料的平均颗粒直径的平均直径，且构成所述固体的材料具有大于颗粒材料堆积密度的密度。
2.如权利要求1的系统，其中所述颗粒材料为吸附剂材料，所述流体为气体。
3.如权利要求1的系统，其中在固体层中的固体由选自矿物质、陶瓷、和金属的材料构成。
4.如权利要求3的系统，其中构成固体层中的所述固体的材料的密度为所述颗粒材料的堆积密度的1.5至8倍。
5.如权利要求3的系统，其中在固体层中的固体包括陶瓷球。
6.如权利要求3的系统，其中在固体层中的固体的平均直径为颗粒材料的平均颗粒直径的1.5至3倍。
7.如权利要求3的系统，其中固体层的深度为76.2至152.4mm。
8.如权利要求1的系统，还包括位于固体层顶部的多个附加固体。
9.如权利要求8的系统，其中所述附加固体的平均直径为10至50mm。
10.如权利要求8的系统，其中至少一些所述附加固体位于柔性多孔篮内。
11.如权利要求8的系统，其中在固体层中的固体由选自矿物质、陶瓷、和金属的材料构成。
12.如权利要求11的系统，其中所述附加固体由选自矿物质、陶瓷、和金属的材料构成。
13.如权利要求11的系统，其中在固体层中的固体和附加固体包括陶瓷球。
14.如权利要求8的系统，其中所述圆筒形容器具有顶盖和底盖，且其中至少部分附加固体与所述圆筒形容器的顶盖相接触并从而约束了其向上的运动。
15.如权利要求14的系统，其中至少一些附加固体与多孔过滤器组件相接触并从而约束了向上的运动，所述多孔过滤器组件与圆筒形容器的顶盖相接触。
16.如权利要求14的系统，其中至少部分附加固体通过对第二层中的固体机械地施加向下的力而约束了向上的运动。
17.一种吸附塔组件，其包括：
(a)具有顶盖和底盖的圆筒形容器；、
(b)与容器底盖相连接的流体出入管装置，和与顶盖相连接用来从所述容器排出流体的流体出入管装置；
(c)使容器部分充满的颗粒吸附剂材料床；
(d)在圆筒形容器内的柔性多孔篮，其与颗粒材料床的顶部接触并与高于颗粒材料床顶部的容器内壁接触，其中所述多孔篮具有小于颗粒材料的最小颗粒的开口，使得颗粒材料不能穿过所述开口；和
(e)位于柔性多孔篮内的固体层，其对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床之上的圆筒形容器内壁向所述柔性多孔篮施压，其中在固体层中的固体的平均直径大于颗粒材料的平均颗粒直径，且构成所述固体的颗粒的密度大于颗粒材料的堆积密度。
18.如权利要求17的吸附塔组件，其中所述固体层深度为76.2至152.4mm。
19.如权利要求17的吸附塔组件，还包括位于固体层顶部上的多个附加固体。
20.如权利要求19的吸附塔组件，其中附加固体的平均直径为10至50mm。
21.如权利要求19的吸附塔组件，还包括位于附加固体与圆筒形容器的顶盖之间的多孔过滤器组件，其中至少一些固体与所述顶盖和多孔过滤器组件相接触。
22.限制容器中颗粒材料向上运动的方法，所述容器具有顶盖和底盖，所述容器含有颗粒材料床，流体以向上的方向流经该床，其中所述方法包括：
(a)提供具有尺寸小于颗粒材料中最小颗粒的开口的柔性多孔篮，使得颗粒材料不能穿过所述多孔篮的开口；
(b)将所述柔性多孔篮组装到圆筒形容器内，与颗粒材料床的顶部相接触并与在颗粒材料床顶部之上的圆筒形容器的内壁相接触；和
(c)在柔性多孔篮内放置固体层，其对着颗粒材料床的顶部并对着颗粒材料床的顶部之上的圆筒形容器的内壁向所述柔性多孔篮施压，其中在固体层中的固体的平均直径大于颗粒材料的平均颗粒直径，且构成所述固体的材料具有大于颗粒材料堆积密度的密度。
23.如权利要求22的方法，还包括：
(d)在固体层的顶部放置多个附加固体，其中所述附加固体的平均直径为10至50mm；和
(e)在附加固体与圆筒形容器的顶盖之间放置多孔过滤器组件，其中至少一些固体与顶盖和多孔过滤器组件相接触。
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