專利名稱：改良的吸附氣流分布的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力搖擺式吸附(pressure swing adsorption)氣體分離操作。更具體地說，本發(fā)明涉及壓力搖擺式吸附器的改良的流動(dòng)分布系統(tǒng)。
吸附法已廣泛地在氣體分離和純化中使用。近年來，已發(fā)展了壓力搖揮式吸附(PSA)系統(tǒng)用于增強(qiáng)的氣體分離操作中，特別是用于從空氣中制備氧氣和氮?dú)獾墓I(yè)生產(chǎn)中。在PSA系統(tǒng)的操作中，使用了吸附-解吸-再加壓處理順序，在上吸附壓力下的空氣或其它原料氣體混合物通入到吸附系統(tǒng)中使空氣或其它原料氣體混合物的較易吸附組合被一個(gè)或多個(gè)吸附床選擇性地吸附，而較難吸附組分別通過所述床。然后所述床被減壓至較低的解吸壓力而使較易吸附組分從所述吸附床中解吸，然后將所述床再加壓至上吸附壓力使循環(huán)操作持續(xù)進(jìn)行。
為充分利用所用的吸附材料，PSA系統(tǒng)要求貫穿于整個(gè)PSA處理循環(huán)中氣體流過吸附床的流動(dòng)要均勻。此外，在PSA器進(jìn)品和出口區(qū)具有大空隙體積和大的壓降對(duì)PSA系統(tǒng)的操作性能有負(fù)面影響，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中需要減低。關(guān)于這點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道在PSA系統(tǒng)，例如在真空壓力搖擺或吸附(VPSA)系統(tǒng)中吸附床載體和流動(dòng)分布系統(tǒng)是很貴的，如果吸附床的直經(jīng)擴(kuò)大，花費(fèi)就變得越多。一般的床載體系統(tǒng)如果不正確安裝，很容易造成吸附劑泄漏。修理床載體系統(tǒng)的泄漏既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)。使用床支承板和與其相連的流動(dòng)分布系統(tǒng)以及支肋的普通的床設(shè)計(jì)和流動(dòng)分布系統(tǒng)易于引起局部非均勻化的氣體流動(dòng)，從而對(duì)氣分離效果產(chǎn)生不利影響。
在PSA器中為達(dá)到均勻流動(dòng)，目前工業(yè)生產(chǎn)中一般采用了四種方法。一種方法描述于1961年5月1日D.R.Richardson的“How toDesign Fluid-Flow Distributors”，Chemical Engineering之中，它以橫過吸附床置一塊多孔板或篩網(wǎng)的形式來加上一壓降。這種方法對(duì)PSA系統(tǒng)來說至少是需要的，因?yàn)镻SA器大并且其進(jìn)口和管中的速度比較高，從而在床兩頭需要高壓降以便獲得良好的氣體流動(dòng)分布。然而這種壓降增加了PSA系統(tǒng)的能量需求，這使得這種PSA系統(tǒng)特別是VPSA系統(tǒng)在滿足工業(yè)操作的需要方面缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。
第二種方法包括放置在離開系統(tǒng)的氣體進(jìn)口管1至3管徑距離處的導(dǎo)向板。該板引導(dǎo)主進(jìn)口氣流并使其擴(kuò)散到PSA器的前部區(qū)域而不是直接沖至吸附床上。這使得吸附床兩端間的壓降處于低水平但流動(dòng)分布比較差，因?yàn)樵赑SA器前部區(qū)域出現(xiàn)的渦流本身又沖出到床上。
第三種方法涉及橫過PSA器的整個(gè)前部區(qū)域放置一與吸附床平行的流動(dòng)分布板。這種流動(dòng)分布板含有不同開口面積的多孔部分，使氣體基本上均勻地流到吸附床上。該方法的進(jìn)一步描述參見1994年3月29日發(fā)布的Nowobilski的美國專利5,298,226。這個(gè)第三種方法和先前的二種方法一樣，在實(shí)踐中使用了支肋以在徑向和環(huán)向加強(qiáng)多孔板。這種支肋由于其固有的氣流通道而產(chǎn)生了高且不平衡的氣流區(qū)。
所嘗試的第四種獲取均勻氣流的方法是通過使用按逐步降低尺寸方式建造以支持PSA器的吸附材料床的分級(jí)球體或圓柱體來完成流動(dòng)分布和床載承兩項(xiàng)功能。不到床直徑大的小籃或盤構(gòu)成PSA器的進(jìn)口氣室。例如，如果床吸附材料直徑約為1/16″，床載體將配以多層3″深的如在Norton.Denstone Inert Catalyst Bed Support CatalogNo.410027/992中所示的1/8″、1/4″、1/2″、3/4″、1″和2″直徑的陶瓷球。所選的床載體的尺寸使得其較小顆粒不會(huì)落到相鄰下層較大顆粒的空隙中。該方法所遇的困難是除了增加床載體區(qū)域外沒有控制吸附床的流動(dòng)分布的方法。這反過來導(dǎo)致了更多的載體材料消耗、進(jìn)口端更大的空隙體積和更高的壓降。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供能達(dá)到氣體均勻流動(dòng)到吸附床的改良的吸附器前部區(qū)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供能在吸附床上獲得均勻氣流并且空隙體積和壓降均得到降低的改良的PSA器。
考慮到這些目標(biāo)及其它目標(biāo)，本發(fā)明將在下文中詳細(xì)描述，其新穎特征將在所附的權(quán)利要求書中特別指出。
通過在所述吸附器使用具有不同開口面積的多孔進(jìn)口氣體分布器和以不均勻?qū)影仓玫姆旨?jí)球體床載體可以使氣體均勻流動(dòng)到垂直圓柱形吸附器的吸附床上。通過利用多孔分布器的合適的開口面積和適當(dāng)?shù)姆蔷鶆蚍旨?jí)球體分布，在吸附床的進(jìn)口處可獲得非常均勻的氣體流動(dòng)。
下面將參照附圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明的情況，其中

圖1是本發(fā)明的非均勻分級(jí)球體床載體和進(jìn)口氣體分布器設(shè)置的示意圖；圖2是一個(gè)常規(guī)方法所用的分級(jí)的均勻床載體相應(yīng)實(shí)施例的示意圖；圖3是提供吸附床所需的非均勻分級(jí)球體床載體的本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖；圖4是具有大進(jìn)口氣室和無孔或多孔頂板的本發(fā)明的非均勻分級(jí)球體床載體的示意圖；圖5是包含具有二個(gè)不同多孔區(qū)的球冠氣室的本發(fā)明一實(shí)施例的示意圖。
圖6是包含具不同開口面積的側(cè)壁的圓筒形氣室的本發(fā)明一實(shí)施例的示意圖。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，達(dá)到本發(fā)明的目標(biāo)是通過使用具不同開口面積的多孔進(jìn)口氣體分布器和位于進(jìn)口氣體分布器上用于補(bǔ)償由多孔進(jìn)口氣體分布器和到達(dá)吸附床的不同通道長度產(chǎn)生的非均勻氣流的非均勻?qū)有问降姆旨?jí)球體床載體。通過這些特點(diǎn)的結(jié)合，在所述吸附床的進(jìn)口處可獲得非常均勻的氣流。
本發(fā)明消除了對(duì)昂貴的多孔板主床載體和會(huì)產(chǎn)生非均勻氣流的其支肋的需要。它也消除了對(duì)流動(dòng)分布檔板及其支肋的需要。這降低了床區(qū)中的空隙體積和吸附系統(tǒng)的總花費(fèi)，提供了比各種板式床載設(shè)計(jì)更均勻的流動(dòng)。
因此在其優(yōu)選的實(shí)施方案中本發(fā)明的實(shí)質(zhì)歸結(jié)于使用了在其表面上具有不同開口區(qū)的進(jìn)口氣體分布器從而起動(dòng)了朝所需方向的氣體流動(dòng)，也歸結(jié)于使用了非均勻分級(jí)球體床載體從而在吸附床的進(jìn)口處使氣體從流動(dòng)氣體分布器基本均勻地流動(dòng)到頂上的吸附床上。所述非均勻分級(jí)球體床載體是這種安置的其中所用的惰性球體的非均勻?qū)訌乃龆嗫讱怏w分布器即進(jìn)口氣室擴(kuò)展而達(dá)到該吸附器直徑的至少70％。在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述球體的非均勻?qū)訑U(kuò)展到所述的吸附器直徑的至少85％。
所設(shè)計(jì)的進(jìn)口氣室的高度延伸到所述吸附器前部區(qū)域深度的20％至100％。最好，它應(yīng)該擴(kuò)展到所述的吸附器前部區(qū)域深度的30％至70％。氣體分布器或進(jìn)口氣室的直徑一般是所述吸附器直徑的10％至80％。最好，進(jìn)口氣室直徑是所述吸附器直徑的30％至60％。
正如上面所述，通過按需要選擇多孔氣體分布器或進(jìn)口氣室的開口面積非均勻分級(jí)球體床載體的組合，就可在所述吸附床的進(jìn)口處獲得非常均勻的流動(dòng)分布。本發(fā)明實(shí)踐中的壓降和空隙體積通過進(jìn)口氣室大小的調(diào)整而降低。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，這種可變性提供了進(jìn)入吸附床的更均勻的氣體速度分布并使吸附器前部的空隙體積和越過吸附器前部的壓降達(dá)到最佳點(diǎn)。這就避免了象使用常規(guī)的分級(jí)球體床載體時(shí)那樣為獲得更均勻的流動(dòng)而需要增大所述床的載體區(qū)。
在常規(guī)的使用分級(jí)球體床載體的吸附系統(tǒng)中，吸附器一般包含由充置于吸附器進(jìn)口前部區(qū)域的陶瓷球分級(jí)床承載的吸附材料床。例如，所述陶瓷球可按上面所描述的那樣分布，2″球?qū)又糜谖狡髑安繀^(qū)域的底部，再依次為1″球、1/2″球、1/4″球和1/8″球的均勻?qū)?，一直延伸到所述前部區(qū)域的頂部以承載住吸附顆粒，即一般為1/16″占吸附器至要部分的顆粒。一流體進(jìn)口導(dǎo)管延伸到所述吸附器前部區(qū)域底部，和向上伸到例如2″球?qū)拥牡撞扛叨鹊倪M(jìn)口氣室流通。分級(jí)球體床載系統(tǒng)的整個(gè)經(jīng)濟(jì)情況取產(chǎn)決于種種可變因素，諸如在吸附過程中制備的所需產(chǎn)品氣體的費(fèi)用，所需能量、所用的吸附材料和吸附器構(gòu)造。這些因素的相對(duì)值和影響效果隨所用的氣體分離純化方法和進(jìn)行這種方法的地點(diǎn)的不同而不同。
在分級(jí)球體床載體系統(tǒng)的操作中，原料氣流以較高速度通過一小進(jìn)口管并通到進(jìn)口氣室中。進(jìn)口氣室有三個(gè)功能，第一個(gè)功能是保持其前部區(qū)域的惰性陶瓷球處于進(jìn)口管之外，并作為直接在其上方的床的結(jié)構(gòu)承載體。進(jìn)口氣室的第二個(gè)功能是降低進(jìn)入諸如沸石分子篩、活性炭或氧化鋁等吸附材料床時(shí)氣流的速度。這本身反過來也降低了在吸附器進(jìn)口區(qū)即吸附器前部區(qū)域的壓降。例如，如果90磅/英寸2(絕對(duì)壓)50°F的氣體以40英尺/秒的速度通過直徑為2.5英尺的進(jìn)口管并直接沖到最大的2″直徑的球上，具有每英寸床深度2磅/英寸2的壓降地方將位于最接近所述進(jìn)口管的區(qū)域。10倍于管面積的進(jìn)口氣室，即4英尺直徑×3英尺高的進(jìn)口氣室使得其壓降只為0.02磅/英寸2/英寸。這樣將使得耗能大為降低。然而，其具有空隙體積方面的問題，因?yàn)榱硗庹技s60％空隙的氣室沒有充滿球體而增加了20平方英尺的額外的空隙體積。
進(jìn)口氣室的第三個(gè)功能是引導(dǎo)進(jìn)氣氣流按所需方向流動(dòng)。在本發(fā)明的實(shí)踐中通過改變進(jìn)口氣室的開口面積來控制二方面的影響。第一方面影響是流動(dòng)流體的動(dòng)力壓頭。這導(dǎo)致了在直接位于進(jìn)口管上方的氣體分布器或進(jìn)口氣室的區(qū)域具較高的壓力。這種較高的壓力會(huì)導(dǎo)致通過所述床中心區(qū)的氣流大于外區(qū)。這種不利影響可通過相對(duì)于邊緣區(qū)來說減少進(jìn)口氣室中心區(qū)的開口面積來降低。在所述實(shí)施例中，動(dòng)力壓頭約為0.1磅/平方英寸，通過減少進(jìn)口氣室中心區(qū)的開口面積可將其影響控制到只有1％。所遇到的第二方面影響是由于進(jìn)口氣室和吸附床的幾何形狀引起的。進(jìn)口氣室頂部可能只有吸附床面積的大約5％至10％。例如，床直徑10英尺而進(jìn)口氣室頂部面積12.7平方英尺時(shí)，只達(dá)到6％的面積比。因此大部分氣流必須經(jīng)過進(jìn)口氣室壁流出并達(dá)到吸附器的邊區(qū)。在圓柱形進(jìn)口氣室中，氣流將經(jīng)氣室圓筒壁流出。所述壁上的開口面積保持盡可能大，與進(jìn)口氣室的結(jié)構(gòu)負(fù)荷相一致。這種壁上開口面積一般占整個(gè)壁面積的50％的左右。
氣流離開進(jìn)口氣室后進(jìn)入在吸附器前部區(qū)域的分級(jí)球體床載體中。分級(jí)球體的主要功能是承載于合理壓降下的吸附床。正如上面所指出的，這在本領(lǐng)域中是通過在吸附器前部放置多層不同大小的惰性球體來完成的，每種球的大小一般是其上層球直徑的兩倍。這樣，如果分子篩、炭、氧化鋁或其它吸附材料的直徑是約1/16″，那末直接在其下方的惰性陶瓷球?qū)拥那驈奖仨毤s為1/8″，層厚一般約3″。在1/8″層下面為3″厚的1/4″球?qū)樱又?″厚的1/2″球?qū)?，底層?″厚的3/4″球?qū)?。在常?guī)實(shí)踐中，板式床載體一般用在前部區(qū)域，即在這種均勻的分級(jí)球體床載體下方。在這種均勻的分級(jí)球體床載體中所用球徑的增大并不會(huì)使較小直徑的球體掉入與其相鄰下層較大顆粒中的空隙區(qū)中。理論上對(duì)于最佳堆積的球來說，空隙區(qū)的直徑約為較大球直徑的1/5。實(shí)際上，對(duì)于非均勻陶瓷球的非均勻堆積來說，所用的直徑比是1/2。較大直徑比會(huì)增多附加層數(shù)并增加花費(fèi)和越過吸附器前部區(qū)域的壓降。球?qū)拥暮穸纫话阒辽賾?yīng)該有3球直徑厚。另一種方法是，例如，使用8″厚層的1″球，然后用2″球填滿吸附器前部區(qū)域的其它部分。所述的進(jìn)口氣室一般是一個(gè)小的Johnson篩，約12″直徑17″高。通過使用小的進(jìn)口氣室可減少空隙體積，但是由于小的進(jìn)口氣室和常規(guī)實(shí)踐的均勻分級(jí)球體床載體的原因，在吸附床底部一側(cè)的速度分布被發(fā)現(xiàn)處于差的水平。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，通過使用球載體的不均勻布置而使分級(jí)球體床載體獲得了改良的氣流分布。這種非均勻床載體利用通過不同大小球體在壓降上的變化而按需要迫使或引導(dǎo)氣體流動(dòng)到吸附器的外區(qū)。一個(gè)本發(fā)明的目標(biāo)實(shí)施例說明于附圖的圖1中。正象圖中所示，較大的球體如2″球被用來供作到吸附器邊緣的低阻力通道。這和附2中所示的常規(guī)分級(jí)球體床載體布置相反，常規(guī)布置中每層球體均是均勻地置于其相鄰下層之上，即以平整或水平層的方式布置，而不會(huì)提供本發(fā)明的這種直上通到吸附器前部邊緣區(qū)的低阻力通道。正象所述的圖1中所示，最大球即2″球的布置區(qū)從進(jìn)口氣室的下部朝上和朝外延伸到垂直高度在進(jìn)口氣室的上邊緣以上的吸附器前部邊緣區(qū)。這提供了朝上外至吸附器壁的低阻力氣流通道，并可在橫過吸附床的底部獲得比較均勻的氣體流速分布。在常規(guī)的載體布置中，可看到2″球?qū)拥膹倪M(jìn)口氣室水平延伸到吸附器前部邊緣的上表面。這種布置不會(huì)象圖1的本發(fā)明的實(shí)施例那樣迫使氣流從進(jìn)口氣室向外流動(dòng)，從而在吸附床上只得到偏離目標(biāo)的、欠均勻的、較集中于中間的氣體流速分布。
可以看到圖1實(shí)施例的非均勻分級(jí)球分布使得上球?qū)訌奈角安繀^(qū)域中心朝外延伸，每個(gè)這種層一般均朝外方面變薄，因此所述各層的厚度即1″球?qū)印?/2″球?qū)雍?/4″球?qū)拥暮穸仍谒銮安康耐膺吘壉绕渲行奶幐?，從而使上行氣流易于接近吸附器前部區(qū)域的邊緣。與此相反，如圖2所示常規(guī)布置的均勻分級(jí)球體分布使得這種上排層以均勻方式延伸，水平橫過吸附床前部區(qū)域。在這種常規(guī)的布置中，位于進(jìn)口氣室上面的每一所述上排球?qū)訌奈狡髑安繀^(qū)域中心至其外部邊緣均具均一的厚度。作為一實(shí)例，應(yīng)該指出，在同樣的氣體流速下，2″球的每英尺壓降是1/2″球壓降1/4″。在本發(fā)明的實(shí)踐中，通過分級(jí)球體床載體的非均一布置，和常規(guī)的分級(jí)球體床載體均一布置比較可獲得更均勻的氣流分布，在前部區(qū)域的空隙體積也可按需要降低。
對(duì)任何給定吸附器的最佳前部區(qū)域布置和氣流組合取決于以下各因素的相互作用流動(dòng)動(dòng)力壓頭、彎頭損失、再循環(huán)渦流、通過多孔進(jìn)口氣室的氣流、和通過為在吸附床進(jìn)口處獲得所需最小壓降和平坦的或均一的速度分布線所裝填的分級(jí)球體的氣流。在于一個(gè)氣體預(yù)純化吸附器中使用本發(fā)明的具有代表性的實(shí)施例中，吸附器直徑為16英尺，空氣流從30″直徑進(jìn)口管以90磅/英寸2(絕對(duì)壓)壓力4.7×106NCFH的流速流進(jìn)。在一常規(guī)的均勻的分級(jí)球體床載體設(shè)計(jì)中，進(jìn)口氣室直徑為36″，高度為39″。進(jìn)口氣室圓筒的頂部是密實(shí)的，其壁具有50％的開口面積。吸附器前部區(qū)域充滿了惰性氧化鋁，包括在進(jìn)口氣室頂上1″厚的1/2″直徑球的水平層和在該層之上13″厚的1/4″直徑氧化鋁球體的水平層。該吸附器的主要部分堆滿了5×8平方英尺深度為5英尺的活性氧化鋁吸附劑。依靠使用這種常規(guī)設(shè)計(jì)的吸附器獲得的流動(dòng)分布和在吸附器中心位量相比具有+13％至-12％的流速差異，所觀察到的具較高流速的地方位于吸附器中心線到其邊緣約1/4距離之處，而具較低流速的地方則在吸附器的邊緣。這和附圖的圖2中所示的前部區(qū)域構(gòu)造所繪的進(jìn)入吸附床的流速分散基本相符。在吸附器邊緣流速低的原因是在度圖流過1/2″球?qū)拥竭_(dá)吸附器前部區(qū)域邊緣過程中氣流遇到了高阻力。其結(jié)果是比平均氣流更大的氣流沿著從氣流分布器的頂邊更直接地到吸附床的底部的更短通道流動(dòng)，導(dǎo)致了在該區(qū)域出現(xiàn)所指出的更高氣流速度。
在附3所示的實(shí)施例中，本發(fā)明通過將2″直徑球填于吸附器的前部區(qū)域部分并沿著前部區(qū)域邊緣向上填充直到位于進(jìn)口氣室頂部頂約3″來降低氣體流至吸附器前部邊緣的阻力。然后一般以同樣的輪廓將3″—5″厚的1″直徑填充物蓋于2″填充物之上。然后將床載體區(qū)用1/2″直徑填充物填平，在該實(shí)施例中該層的厚度最小為邊緣處的3″，最大為吸附器前部中心處的10″而各不同。最后的1/4″直徑球?qū)邮?3″厚的均一層。由此流速分布獲得了很大改善。最大流速仍然在進(jìn)口分布器的上方出現(xiàn)，但其峰流速從+13％被降至+8％更重要的是，邊緣流速只低于平均流速的3％而不是12％。
在上面的代表性實(shí)例中，在所述前部中心的流速不低于平均床流速，但并不是總是這樣的。對(duì)于較大直徑的進(jìn)口氣室即較大的進(jìn)口分布器來說，通過在床中心的球的下部的氣流可通過提供例如用1/4″口徑洞口的1％開口面積的孔板代替進(jìn)口氣室密實(shí)頂板來加以改善。這種能使氣流從進(jìn)氣室向上流的多孔板和進(jìn)口氣室頂邊的氣流一起用于提供中心部分和流過使用8′直徑進(jìn)口氣室的吸附器更均勻的流速。因此，在附4中所示的實(shí)施例中，進(jìn)口氣室使用密實(shí)頂板時(shí)，速度分布是從接近中心的-11％到吸附器邊緣處的3.5％。在所述頂板上具有所述1％的開口區(qū)后，速度分布得以改善，通過吸附器前部區(qū)域的流速一般為均勻而稍稍下降，中心處的速度為+2％，邊緣處流速差只為-1.2％。明顯地，和使用密實(shí)的、非多孔頂板相比，氣室多孔頂板的使用提供了改良的流速分布。
在上面本發(fā)明的代表性實(shí)施例，使用了圓筒狀的進(jìn)口氣室。這種設(shè)計(jì)便于建造，但是隨著直徑增加，其平坦頂板變得非常厚，或必須以中央支持柱或交叉線焊拉到平坦的分布器頂板的頂部或底部的方式來加固。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，進(jìn)口氣室可以是如附5中所示的帶二個(gè)或多個(gè)不同多孔區(qū)的球冠狀。這種球冠可以焊到直接位于進(jìn)口管上方的吸附器前部的內(nèi)側(cè)。在所述冠上的各穿孔最好是不同的以便于在吸附器前部得到所需的氣流分布。例如，在一具體的實(shí)施例中，進(jìn)口氣室的球冠中心區(qū)即吸附器前部的中心附近區(qū)域可為整個(gè)進(jìn)口分布器面積的5％至20％，其多孔開口面積約為0.1％至10％之間，穿孔直徑為1/8″至1″之間。球冠的中區(qū)可為整個(gè)進(jìn)口分布器面積的5％至50％，其穿孔開口面積從0％至10％而不同，穿孔孔徑為1/8″至1″之間。外開口區(qū)，即向外朝吸附器部邊緣延伸到最遠(yuǎn)的球冠的一區(qū)域，是在結(jié)構(gòu)上允許的情況下越大越好，因?yàn)檫@個(gè)外開口區(qū)是起引導(dǎo)氣流流到所述的吸附器前部外緣作用的。一般來說，這個(gè)多孔開口區(qū)占40％至60％，孔徑在1/2″至1″之間。在所述圖5所示的實(shí)施例中，球冠的外部分，即接觸包括2″球的分級(jí)球體床載體的那部分區(qū)域具有約50％的多孔開口區(qū)域，球冠的中心部分即與1/2″球相接觸的吸附器前部的中心的鄰近部分具有約2％的多孔開口區(qū)域，和1″球接觸的球冠的中間部分是密實(shí)的區(qū)域。
在附圖的圖6所示的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，提供了在所述氣室的下和上圓筒部分具不同開口面積的圓筒形進(jìn)口氣室。為此，其下部分，即與1″球?qū)咏佑|的一部分和與分級(jí)載體的2″球接觸的那部分，具有40％至60％之間的一開口面積，如50％，其孔徑一般在1/2″至1″之間。其上部分，即與1/2″球?qū)蛹安糠?″球?qū)咏佑|的那部分，具有20％至2％如10％的開口面積，穿孔孔徑與下部分中的相同，在進(jìn)口氣室上部分的較少的開口區(qū)域用來控制來自所述氣室頂邊的上行氣流。這樣，可以降低進(jìn)口氣室處的氣體流速，并迫使更多氣體流向吸附器前部的外緣。正象上面指出的，進(jìn)口氣室的的平頂上可包括一處或多處不同的開口區(qū)以便在吸附器前部的中心部分獲得更均勻的上行氣流速度分布。
大家知道，在沒有背離象在所附權(quán)利要求書中所陳述的本發(fā)明的范圍下，在如本文所述的本發(fā)明的細(xì)節(jié)上可作出各種改變。因此，盡管參照物是具體留VPSA和PSA系統(tǒng)，本發(fā)明也可用在其它吸附系統(tǒng)中，如熱搖擺式吸附系統(tǒng)中。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道本發(fā)明也可用來在一系列其它處理器中提供改良的氣流分布，包括包含催化材料而不是吸附材料但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中也需均勻氣流的處理器。盡管本發(fā)明也已就相對(duì)于1/16″至1/8″顆粒吸附床的非均勻分級(jí)球體床載體構(gòu)造的具體尺寸而加以具體描述，人們知道在分級(jí)球體載體中使用的惰性球的大小、以及在吸附器前部的中心和其邊緣處的每層的厚度均取決于所要進(jìn)行氣體分離應(yīng)用的需要。在特別是相對(duì)于小的處理器的特定的應(yīng)用中，可能可以使用具有不同開口區(qū)以及平坦的，即均勻的作為床載體的分級(jí)球?qū)拥倪M(jìn)口氣體分布器。
從所述的實(shí)施例可以知道并不是每層分級(jí)球體床載體都需以非均一的方式放置的。盡管在圖1和圖5的實(shí)施例中橫過吸附器的每一層均是非均勻布置的，但圖3、5和6實(shí)施例的最小的1/4″球?qū)邮且跃鶆虻姆绞狡秸?。但是，無論如何，最大的2″球?qū)邮且苑蔷鶆蚍绞椒胖茫蛏铣狡髑安康倪吘壯由?，以便產(chǎn)生至吸附器前部外緣的低阻力通道，其上面的球?qū)尤?″球和1/2″球?qū)?，以非均勻方式布置，從而在吸附器的靠外部分產(chǎn)生一條從2″層到吸附床的低阻力流動(dòng)通道。
盡管上述圖4所示的實(shí)施例是根據(jù)在進(jìn)口氣室的頂部提供具1％開口面積的多孔板以在吸附器的中心提供氣體的向上流動(dòng)和更均勻的氣流來加以描述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道當(dāng)使用多孔的頂板時(shí)，為了在吸附器的中心獲得所需的更均勻的速度分布，進(jìn)口氣室頂板上的開口面積可依整體構(gòu)造和所用操作條件的不同而不同。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，到吸附床的氣體的均勻流動(dòng)通過使用具不同開口面積的多孔進(jìn)口氣室和上述的非均勻分級(jí)球體床載體來得以增強(qiáng)。從所說明的實(shí)施例可以知道，提供非均勻分級(jí)球體載體和均開口面積的進(jìn)口氣室依舊在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，盡管在優(yōu)選實(shí)施例中這些特征的結(jié)合特別適于引導(dǎo)通過吸附器前部的氣體流動(dòng)以獲得通到吸附床的均勻流動(dòng)速度。
本發(fā)明為用于重要的空氣和其它氣體工業(yè)分離操作中的PSA和其它吸附處理領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。通過達(dá)到方便地使更均勻的氣源通過吸附床的途徑，本發(fā)明可使吸附床的整個(gè)吸附能力得到有效地利用。因此對(duì)吸附器前部中大空隙體積和/或壓降需要得以減少，高度需要的吸附處理的強(qiáng)化的整體效能，對(duì)實(shí)際工作操作是有利的。
權(quán)利要求
1.從含較易吸附組分和較難吸附組分的原料氣體混合物中分離較易吸附組分的吸附系統(tǒng)，具有至少一臺(tái)吸附器，它包含能選擇性吸附所述原料氣體混合物中的較易吸附組分的吸附材料床，承載所述吸附床的位于吸附器前部的分級(jí)球體床載體，將原料氣體混合物通入位于所述吸附器前部的進(jìn)口氣室進(jìn)而導(dǎo)入到所述分級(jí)球體床載體的導(dǎo)管裝置，本發(fā)明的改進(jìn)之處包括非均勻分級(jí)球體載床載體，其中位于所述床載體下部并和進(jìn)口氣室進(jìn)行流體流通的最大尺寸的惰性球以一個(gè)球體載體層的方式布置，其上表面從吸附器前部的中心向上向外延伸到其外緣從而產(chǎn)生到吸附器前部外緣的低阻力氣體流動(dòng)通道，依此來自進(jìn)口氣室的原料氣體混合物流被導(dǎo)過吸附器前部以提供所述原料氣體混合物至吸附床的均勻氣流。
2.權(quán)利要求1的吸附系統(tǒng)，其中所述非均勻分級(jí)球體床載體包括多層，每一層的球體尺寸均比順序與其相鄰的下層要小。
3.權(quán)利要求2的吸附系統(tǒng)，其中在底層上面的中間層是這樣布置的其上表面從吸附器前部中心向上向外延伸到其外緣，所述的中間層慢慢變薄，每個(gè)這種層在吸附器前部的邊緣的厚度均比其在中心的為薄，從而進(jìn)一步便于流過吸附器氣流的均勻流動(dòng)。
4.權(quán)利要求3的收附系統(tǒng)，其中最小尺寸球體的上層慢慢變薄，從而所述上層在吸附器前部邊緣的厚度薄于其在中心的厚度。
5.權(quán)利要求2的吸附器，其中位于在床載體底部的最大尺寸球體和在床載體頂部的最小尺寸球體之間的中等尺寸球體層在吸附器前部邊緣的厚度薄于在該前部中心部分的厚度。
6.權(quán)利要求1的吸附系統(tǒng)，其中進(jìn)口氣室具有通到分級(jí)球體床載體的非均勻分布口，進(jìn)口氣室的底部與至少一部分具有比其上部更大開口面積的具有最大球體尺寸的底部球?qū)恿黧w流通，從而進(jìn)一步便于引導(dǎo)原料氣體混合物流過在床載體區(qū)下部的最大尺寸球進(jìn)入吸附器前部的邊緣部分。
7.權(quán)利要求6的吸附系統(tǒng)，其中所述的進(jìn)口氣室具有便于氣體流到吸附器前部中心部分的多孔頂板。
8.權(quán)利要求6的吸附系統(tǒng)，其中所述進(jìn)口氣室包括球冠氣室。
9.權(quán)利要求8的吸附系統(tǒng)，其中朝吸附器前部的邊緣延伸的球冠氣室的靠外部分具有比在吸附器前部中心的所述球冠氣室的中心部分更大的開口面積。
10.權(quán)利要求9的吸附系統(tǒng)，其中所述球冠氣室的靠外部分和包括分級(jí)球體床體的底部的最大尺寸球體流體流通。
11.權(quán)利要求6的吸附系統(tǒng)，其中所述進(jìn)口氣室包括在其圓筒壁部分具有開口的圓筒氣室。
12.權(quán)利要求11的吸附系統(tǒng)，其中所述圓筒氣室的下部具有比其上部分更大的開口面積，圓筒氣室的下部與在所述分級(jí)球體床載體底部中的至少最大尺寸球體流體流通。
13.權(quán)利要求2的吸附系統(tǒng)，其中所述的分級(jí)球體床載體包括2″、1″、1/2″和1/4″球的球?qū)印?br> 14.權(quán)利要求4的吸附系統(tǒng)，其中所述分級(jí)球體床載體包括2″、1″、1/2″和1/4″球的球?qū)印?br> 15.至少具有一個(gè)處理器的處理系統(tǒng)，處理器包含與原料氣體混合物接觸的固體材料床，位于處理器前部的承載固體材料床的分級(jí)球體床載體，和將原料氣體混合物通入位于所述處理器前部的進(jìn)口氣室進(jìn)而導(dǎo)入到所述分級(jí)球體床載體的導(dǎo)管裝置，本發(fā)明的改進(jìn)之處包括非均勻分級(jí)球體床載體，其中位于所述床載體下部并和進(jìn)口氣室流體流通的最大尺寸的惰性球以一個(gè)球體載體層的方式布置，其上表面從處理器前部的中心向上向外延伸到其外緣從而產(chǎn)生到處理器前部外緣的低阻力氣體流動(dòng)通道，依此來自進(jìn)口氣室的原料氣體混合物流被導(dǎo)過處理器前部以提供所述原料氣體混合物至固體材料床的均勻氣流。
16.權(quán)利要求15的處理系統(tǒng)，其中所述非均勻分級(jí)球體床載體包括多層，每一層和球體尺寸均比順序與其相鄰的下層的球尺寸小。
17.權(quán)利要求16的處理系統(tǒng)，其中在底層上面的中間層是這樣布置的其上表面從處理器前部中心向上向外延伸到其外緣，所述的中間層慢慢變薄，每個(gè)這種層在處理器前部的邊緣的厚度均比其在中心的為薄，從而進(jìn)一步便于流過處理器氣體的均勻流動(dòng)。
18.權(quán)利要求15的處理系統(tǒng)，其中所述進(jìn)口氣室具有通到分級(jí)球體床載體的非均勻分布口，進(jìn)口氣室的底部與至少一部分具有比其上部更大開口面積的具有最大球尺寸的底部球?qū)恿黧w流通，從而進(jìn)一步便于引導(dǎo)原料氣體混合物流過在床載體區(qū)下部的最大尺寸球體進(jìn)入處理器前部的邊緣部分。
19.權(quán)利要求18的吸附系統(tǒng)，其中所述進(jìn)口氣室包括球冠氣室，其朝吸附器前部的邊緣延伸的靠外部分具有比在吸附器前部中心的所述球冠氣室的中心部分更大的開口面積。
20.權(quán)利要求15的處理器，其中所述的固體材料包括催化劑材料。
全文摘要
在吸附器的前部區(qū)域使用了非均勻的分級(jí)球體吸附床載體以使氣體均勻流動(dòng)到吸附床上。為引導(dǎo)氣體朝吸附器前部的邊緣部流動(dòng)以促進(jìn)氣流均勻流動(dòng)到吸附床上，進(jìn)口氣體分布器的開口面積也是不同的。
文檔編號(hào)B01D53/04GK1128678SQ9511982
公開日1996年8月14日 申請(qǐng)日期1995年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月27日
發(fā)明者J·J·諾沃比爾斯基, C·F·戈茨曼, F·諾塔羅 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司