淨化裝置的製作方法

2023-09-16 05:51:55

專利名稱：淨化裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過吸附原料氣中的水蒸氣和二氧化碳淨化原料氣的裝置。
工業上，主要通過精餾空氣得到氧氣和氮氣，這必須從精餾空氣的上遊除去水蒸氣和二氧化碳。在現代通過精餾進行空氣分離的裝置中，這種淨化是用吸附完成的，輸入的壓縮氣流通過第一層吸附劑，該吸附劑選擇性地吸附水蒸氣，再通過第二層吸附劑選擇性地吸附二氧化碳。通常，用一對這樣的吸附劑層淨化輸入的空氣，另一對吸附劑層進行再生，使得總有至少一對吸附劑層淨化輸入的氣體。在另一種裝置只有一層吸附劑，能夠吸附水蒸氣和二氧化碳。
有趨勢要求空氣分離裝置增加氧氣量，從而，使得最初的吸附淨化步驟的需要增大。
在實際中，往往會遇到許多原因要限制含有吸附劑層的容器的尺寸，一般，每天生產至少1000噸氧氣的大型空氣分離裝置需要幾個吸附容器。因而，要求改進吸附設備，以提高吸附工藝中每單元床容積的產率。
在傳統的淨化空氣的吸附方法中，空氣流軸向從容器的底部向頂部穿過第一吸附劑顆粒層，所述的吸附劑顆粒層優先吸附水蒸汽，然後再通過第二吸附劑顆粒層，該吸附劑顆粒層優先吸附二氧化碳，過大的空氣速度將流化吸附劑層，因此，要限定空氣速度，其結果，限定了輸入空氣穿過選定尺寸的吸附劑容器的速率。
EP-A-0612554公開了一種淨化含有包括水蒸汽和二氧化碳雜質的原料氣流的方法，包括依次重複如下的步驟a)使原料氣流依次向上通過包含第一吸附劑的第一顆粒床，該處的吸附劑選擇性地從原料氣流中吸附水蒸汽，然後向下通過包含第二吸附劑的第二顆粒床，該處的吸附劑選擇性地從原料氣流吸附二氧化碳。b)對每個床相對原料氣流方向以逆向流通過再生氣使先前已吸附的水蒸汽和二氧化碳解吸而使各床再生。
雖然，按EP-A-0612554的方法能減少再生次數並節省熱能，但是由於該工藝要求分開的床吸附二氧化碳和水蒸氣，在完成該工藝所需吸附容器的尺寸未必相應降低的情況下，如果希望在順序的吸附步驟中以最小的壓力降通過吸附劑，使用上述方法則不是特別適宜。
GB-A-477657公開了參見它的附

圖1的吸附工藝，其中，在吸附中，原料全被送入吸附容器中，一部分氣流向上通過下部床，同時另一部分原料通過內部通道流動而繞過下部床並向下流過上部床。參見它的附圖2描述了一相類似的裝置，其中，在吸附期間，氣流垂直向上通過二個床。在上述的兩個實施例中，在容器內部有通常的分流裝置。這就加大了在二床間平衡氣流的難度，而且，GB-A-477657沒有公開淨化空氣用的設備。
本發明的目的在於提供用吸附除去水蒸氣和二氧化碳淨化空氣的裝置，該裝置能使用比傳統的淨化裝置或按EP-A-0612554中的空氣淨化裝置較小的容器或較小的幾個容器完成淨化空氣的功能。
按照本發明提供的通過從原料氣中吸附水蒸氣和二氧化碳淨化原料氣的裝置，包括至少一個容器，在該容器中限定一組垂直布置的室，一組室中沒有一個同任何其它的室是串聯流動關係，每個室有一個或一個以上的吸附劑床，所述的吸附劑床能從原料氣中吸附水蒸氣和二氧化碳並形成在所述容器外部中間位置延伸的雙向部分氣體流動路徑；與所述容器聯結的閥，可操作使在第一吸附周期時間內待淨化的氣流同時通過至少二個室流動，在第二再生周期時間內，反向流動的再生氣同時通過相同的室。
與傳統的用吸附淨化原料氣的裝置比較，待淨化的原料氣在二個或二個以上的室之間的分散流動可使在完成給定的吸附功能的情況下降低每個床的深度，從而使空氣通過吸附劑或多個吸附劑的總壓力降被降低。與傳統的工藝比較，在吸附步驟中，原料氣的平均壓力較大，從而在給定的容器尺寸下可處理較多的空氣，和/或在不用增加單個床的深度至高於可比較的傳統方法中所用高度的情況下可縮小容器直徑。
按照本發明的裝置可簡單的控制空氣流入容器的多個室，這是因為所有的控制設備能按標準設計並位於容器外部，從而，易於接受日常維護。
優選地，所述的容器含有一個或多個水平延伸的薄隔板，每塊隔板形成一對相鄰室間的壁。該隔板或每塊隔板最好沒有負載部件，並優選包含一薄金屬板。通常，通過焊接使該板或每塊隔板不向容器內周邊滲透流體，並優選由與容器壁或確定所述的內周邊的壁一樣或類似成分的金屬或合金構成。為了使製造成本最小，金屬板可以這樣薄，即當該板受到壓差作用時能夠彎曲。如果使用這樣的隔板按需布置該設備使之在正常操作時不受能引起隔板彎曲的任意壓差的影響是理想的。
一般，取決於原料氣的流速，按照本發明的裝置包括一組所述容器，每個容器包含相同數量的所述室。優選與室相連的閥可這樣操作，即在正常操作期間的任意一次，僅有一些室與待淨化的原料氣源相連結。用這樣的布置可連續淨化空氣流，因為在一個周期中，再生一些室中的吸附劑，其它室從原料氣中吸附雜質，之後，原料氣優選按照預定的間隔轉向已再生吸附劑的室。
優選，閥門這樣操作，在任一容器中的所有室相互間按相同的循環操作相。按這樣的方式，可以避免該隔板或每塊隔板橫向壓差的形成，從而可選擇柔性薄板材料製造該隔板或每塊隔板。另外，再生氣源一般採用與原料氣基本相同的壓力。因此按照本發明的裝置可用於進行在與進行吸附的壓力基本相同壓力下再生吸附劑床的淨化循環。所以，優選地，按照本發明的裝置適合於進行變溫或變濃度吸附循環，而不適於變壓吸附循環。術語″變壓吸附″和″變溫吸附″在本領域中是眾所周知的。術語″變濃度吸附″指的是在工藝或循環中，通過用被吸附組分的濃度基本小於原料氣中其濃度的衝洗氣作用於已負載有被吸附組分的吸附劑而實現脫附，但脫附的壓力和溫度均和吸附壓力和溫度相類似或一樣。
在通過精餾分離空氣的方法中，再生氣源一般是分離空氣的分餾塔或精餾塔，上述塔基本在與本發明裝置的操作中吸附水蒸氣和二氧化碳相同壓力下操作。
每個室最好有一排洩口，有一和其下部區域連接的進口和與容器外部連接的出口，所述室位於上述的容器中。從而使在再生中形成的水蒸汽冷凝液在操作中被排除，這樣便可避免水汙染在室底部的吸附劑。
優選按照本發明的裝置這樣布置，在操作中，原料氣流通過至少一些吸附劑床的方向是向上的。如果在吸附中保持壓力降最小是重要的，則所有原料氣流過吸附劑床的方向均向上是理想的。如果在吸附中保持壓力降最小不那麼重要，裝置可布置成在操作中，原料氣流通過至少一些吸附床的方向是向下的。這種向下的吸附可用比在沒有流化吸附床的危險的給定氣速下的向上吸附所用的吸附劑顆粒要小的吸附劑顆粒進行。(任選的，如果採用較大顆粒尺寸的吸附劑，可用較高的給料速度)。由於採用減小的顆粒尺寸使吸附趨向於更有效率，當優先於上流吸附而採用下流吸附時，完成特定的吸附功能所需的吸附劑量較小。
優選每個床在吸附方向包括一上流層矽石或活性氧化鋁顆粒(或凝膠體)吸附劑吸附水蒸氣，下流層沸石吸附劑(例如13×沸石)吸附遊二氧化碳。在向上流動的吸附中，上遊層是下部一層，在向下流動的吸附中，上遊層是上部一層。
優選每個床深在1-1.5米範圍內。
現在通過實施例並參照附圖描述本發明的裝置，所述的圖是吸附裝置的流程圖。
附圖不按比例參見附圖，淨化空氣的裝置包括一臺空氣壓縮機2，作為加壓待淨化空氣源，基本相同的淨化容器4和6，和同再生氣(一般是氮氣)源相連接的再生氣管路8。容器4和6平行布置，該裝置含有幾個截止閥和關聯的管道工程，將在後面描述，其能使每個容器4和6進行有效淨化空氣的操作循環。
容器4和6均採取縱向軸垂直設置的圓筒形壓力容器形式。容器4和6分別用薄隔板10和12分成下部室14和16以及上部室18和20。在容器4的下部室14和上部室18之間或容器6的下部室16和上部室20之間沒有流體串聯。
室14，16，18和20均裝有吸附劑床22，包括活性氧化鋁顆粒的下層24，優先於進氣中的其它成分而吸附水蒸氣；和沸石13×分子篩顆粒的上層26，優先於進氣中的其它成分而吸附二氧化碳。每個床22分別被支撐在氣體分布格柵28上。
每個室14，16，18和20位於二個氣流路徑上，任一個都可選擇。一條流動路徑用於將通過從中吸附水蒸汽和二氧化碳而淨化的壓縮空氣。其上有室14的吸附流動路徑是從壓縮機2伸出通過截止閥38，容器4底部的進口40進入，向上穿過室14中的床22，通過氣體收集器-分布器42，其在操作中能夠收集從室14中的床22頂部流出的氣體並使該氣體通到容器4外部，通過與氣體收集器-分布器42連接的截止閥44，到與閥44外側連接的淨化空氣管路46。室18位於類似的吸附流動路徑上。該流動路徑從壓縮機2延伸，通過閥38，氣體收集器-分布器48進入室18，向上通過室18的床22，在容器4的頂部，通過出口50，截止閥44到管路46。
其上有室16的吸附流動路徑，從壓縮機2延伸，通過截止閥52，在容器6底部的入口54，進入室16，向上通過室16內的床22，通過另一個氣體收集器-分布器56到容器16外側，通過與氣體收集器-分布器56相連接的截止閥58到淨化空氣管路46。室20位於類似的壓縮空氣的吸附流動路徑上，該路徑從壓縮機2延伸，通過截止閥52，氣體收集器-分布器60進入室20，向上通過室20中的床22，通過容器6的氣體出口62，截止閥58到淨化空氣管路46。
如上所述，每個室14，16，18和20均位於可替換的再生氣流動路徑上。室12位於再生氣體流動路徑上，該路徑從再生氣管路8延伸，通過截止閥64，與64相連接的氣體收集器-分布器42進入室14，向下穿過床22，容器4底部的氣體出口40，截止閥66，到排洩氣體管路68，68可以例如與大氣相通。室18位於類似的流動路徑上，該路徑從再生氣管路8延伸，通過截止閥64，容器4頂部的進口50，進入室18，向下穿過室18中的床22，通過氣體收集器-分布器48，截止閥66進入排洩管路68。
其上有室16的再生氣體流動路徑，從再生氣管路8延伸，通過截止閥70，氣體分布器-收集器56進入室16，向下通過室16中的床22，通過容器6底部的出口54，到容器6的外部，通過與出口54相連接的截止閥72到排出氣體管路68。室20位於類似的再生氣流動路徑上，該路徑從再生氣管路8延伸，通過截止閥70，在容器6頂部的氣體進口62進入室20，向下穿過室20的床22，經氣體收集-分布器60從室20流出，通過截止閥72到排出氣體管路68。
如果需要，裝置可包括如在圖中示出的各種單向閥74。
在操作中，交替操作容器4和6以從進入的壓縮空氣中除去水蒸氣和二氧化碳。在一個循環操作中，截止閥38和44打開，截止閥52，58，64和66處於關閉位置。閥70和72可以打開或關閉，這將在以下描述。隨著閥38和44打開，一部分來自壓縮機2的壓縮空氣通過穿過室14被淨化，剩餘的空氣通過穿過室18被淨化。優選這樣布置，在該循環的吸附相時，通過室14和18的流動速率彼此相等。水蒸氣和可能有一些二氧化碳在層24中被吸附，剩餘的二氧化碳在吸附劑層26中被吸附。當吸附劑含的水蒸氣和二氧化碳雜質達到飽和時，閥38和44關閉，輸入的空氣被轉向到容器6。閥38、44關閉的同時，開啟閥52和58，此外，如果閥70和72預先打開，則關閉這些閥。然後壓縮空氣在容器6中被淨化，從而產生淨化的壓縮空氣連續流。
至少部分周期中容器4不接受空氣進行淨化而通過無二氧化碳的乾燥的再生氣流，如溫度在100°-200℃的氮氣，同樣地，在至少部分周期內，容器6中的吸附劑進行再生，空氣在容器4中被淨化。熱再生氣流向下通過在各自室中的吸附劑層26和24進行再生。再生氣從吸附劑層中脫吸水蒸汽和二氧化碳，然後衝洗從室中出來的脫附氣體進入排氣管路46。優選在常溫下的氮氣流通過加熱器提高溫度達到希望的值而形成再生氣，再生一旦完成，使床層再次恢復至常溫是理想的。這可以這樣進行，使再生器繞過加熱器在常溫下進入床層。如此，連續通入再生氣流直至床層恢復到近似常溫。在再生氣流通過容器4的周期內，閥64和66打開，在再生氣流通過容器6的周期內，閥70和72打開。
對圖示的裝置可以進行各種變化和改進，例如室16和20可以布置成向下流動吸附，向上流動再生。另外，容器4和6均可以包含二個以上的室和/或在圖示的裝置中包括另外的容器。
通常，每個室有一個排洩孔，以便在床層再生時排放任何冷凝的水蒸汽。
一般，圖示裝置還包括手動的流速控制閥(未表示)並可按給定的氣流速度通過每個室。
最好，截止閥是由中央控制器(沒有表示)自動控制的，按照預定的時間間隔將閥打開和關閉。
通過下列實例進一步描述本發明的方法和裝置。例1是採用在圖中所示的那種裝置。例2中吸附方向和再生方向相反，因此例2是向下流動吸附，向上流動再生。而在例2中，每個吸附劑床包括下層的沸石分子篩和上層的活性氧化鋁。
在實例中，″AA″指的是活性氧化鋁吸附劑，″13X″指的是沸石13X分子篩吸附劑，″球徑″指的是球或粒狀吸附劑的平均尺寸。
實例1原料條件空氣流量m3/hr 240,000空氣壓力，巴11空氣溫度，℃5容器操作參數吸附劑-AA 3mm(_″)球-13X 3mm(_″)球床徑，m 4.65床高，m/室 1.00床重，AA kg/床 10,20013X kg/床 14,000吸附時間，小時 2.0再生溫度，℃150再生流量，％原料流量12再生壓力，巴 1.03實例2原料條件空氣流量m3/hr 305,000空氣壓力，巴 6.5空氣溫度，℃ 5容器操作參數吸附劑-AA 3mm(_″)球-13X 3mm(_″)球床徑，m4.90床高，m/室 1.60床重，AA kg/床 10,20013X kg/床32,000吸附時間，小時 2.0再生溫度，℃ 150再生流量，％原料流量 20再生壓力，巴 1.0權利要求
1.通過從原料氣中吸附水蒸氣和二氧化碳淨化原料氣的裝置，包括至少一個容器，該容器內有一組垂直設置的室，沒有室與任何其它的室間串連流動，每個室包含一個或一個以上的吸附劑床能從原料氣中吸附水蒸氣和二氧化碳，並形成在所述容器外部位置間延伸的雙向部分氣體流動路徑；和與所述容器相連接的閥門，可操作使在第一吸附周期內，待靜化的空氣同時通過至少二個室流動，在第二再生周期內，再生氣反向通過相同的室流動。
2.按照權利要求1的裝置，其特徵在於所述容器含有一個或一個以上的水平延伸的薄隔板，每塊隔板在一對相鄰室之間形成通常的壁。
3.按照權利要求1或2的裝置，其特徵在於有一組包含一樣數量的室的所述容器。
4.按照前述權利要求的任一權利要求的裝置，其中閥可這樣操作，能使任一容器的所有室經歷彼此相同的操作循環相。
5.按前述權利要求的任一個權利要求的裝置，還包括同原料氣一樣壓力的再生氣源。
6.按權利要求5的裝置，其特徵在於再生氣源是分離空氣的精餾塔或分餾塔。
7.按前述權利要求的任一權利要求的裝置，其特徵在於閥可這樣操作，可通過變溫或變濃度吸附淨化空氣。
8.按前述權利要求的任一權利要求的裝置，其特徵在於裝置這樣布置，以致在操作中，原料氣流通過至少一些吸附床的方向是向上的。
9.按前述權利要求的任一權利要求的裝置，其特徵在於每個床在吸附方向包含，一矽石或活性氧化鋁吸附劑上遊層吸附水蒸氣，一沸石吸附劑的下遊層吸附二氧化碳。
10.具體如本文中參照附圖所描述的淨化原料氣的裝置。
全文摘要
通過從原料氣中吸附水蒸汽和二氧化碳淨化原料氣的裝置，包括淨化容器4，在容器4中限定垂直布置的室14和18，和另一淨化容器6，其中限定垂直布置的室16和20。室14，16，18和20中沒有一個同任意其它室是串連流動關係。每個室14，16，18和20包含一個或一個以上吸附劑24，26的床22，能從原料氣中吸附水蒸汽和二氧化碳，並形成在容器4和6外部位置間延伸的氣流路徑的雙向部分。閥38，44，52，58，64，70和72同所述容器連接，可操作使在第一吸附周期時間內，要淨化的空氣同時通過室14，16，18和20中的至少二個流動，在第二再生周期時間內，再生氣反向流過相同的室。
文檔編號F25J3/04GK1132105SQ95121739
公開日1996年10月2日 申請日期1995年11月29日 優先權日1994年11月30日
發明者D·R·阿查裡雅, S·J·卡明斯 申請人:英國氧氣集團有限公司