本實用新型涉及一種用于在低溫蒸餾之前進(jìn)行空氣預(yù)凈化的熱增強(qiáng)變壓吸附(TEPSA)工藝，其應(yīng)用了單個加熱器和至少兩個吸附劑容器。本實用新型還涉及一種用于這種TEPSA工藝的裝置。

背景技術(shù)：

定期地需要通過在固體吸附劑上吸附而從氣流中移除氣體成分。具體地說，預(yù)凈化步驟通常用于執(zhí)行低溫空氣分離工藝時。因此，吸附劑的周期性再生是必須的，因為這種被移除的氣體成分可具有內(nèi)在價值，或者它們可能污染氣體混合物中的氣體成分。

在這種工藝中，傳統(tǒng)進(jìn)給的氣體與包含在吸附劑容器中的固體吸附劑相接觸，以便吸附有待移除的成分，并且這些成分逐漸地累積在吸附劑中。吸附劑中被移除的成分的濃度逐漸升高，并且如果該工藝?yán)^續(xù)足夠的時期，吸附劑成分將突破吸附劑床的下游末端。在這發(fā)生之前，需要使吸附劑再生。

為了執(zhí)行預(yù)凈化步驟，應(yīng)用了不同的工藝，例如變熱吸附(TSA)、變壓吸附(PSA)和熱增強(qiáng)變壓吸附(TEPSA)。

在PSA工藝中，通過使有待處理的氣體停止流入吸附劑，使吸附劑減壓，并且通常通過使在其吸附于床上的成分方面含量較低的再生氣體以產(chǎn)物進(jìn)給方向反向穿過床而完成解吸。

TSA工藝通常用于預(yù)凈化低溫空氣分離單元(ASU)上游的空氣。TSA工藝特征在于通常顯著高于100oC的吸附工藝的高溫再生以及長的熱再生時期。因為與TSA工藝相關(guān)聯(lián)的熱通量是強(qiáng)烈且超長的，熱脈沖品質(zhì)上的退化對于TSA解吸工藝具有極小的影響。由加熱器提供給TSA工藝的熱量主要用于解吸強(qiáng)吸附的成分，即水，其具有高的吸附熱。

TSA工藝的一種變體是例如美國專利No.5,614,000中所述的TEPSA工藝。TEPSA是一種低溫再生工藝，其溫度通常低于100oC，并且只有簡短的加熱。與TSA工藝相反，由加熱器提供的熱量用于移除“最不強(qiáng)”吸附的污染物，即CO₂。與TEPSA工藝相關(guān)聯(lián)的熱通量可能如所述是微弱的，所以在其朝著吸附劑的行程上即使微小的熱損失都可能極大地降低由熱脈沖攜帶的熱的品質(zhì)。

這與傳統(tǒng)TSA工藝相反，傳統(tǒng)TSA由高溫控制，用于顯著高于100oC的再生以及顯著大于10分鐘的熱再生時期。由于更極端的TSA工藝條件，在合理距離(例如離吸附劑容器20m或更遠(yuǎn))內(nèi)的加熱器的位置對于再生工藝只有很小的影響，參見美國專利No.9,108,145。

在美國專利No.5,614,000以及美國專利No.8,734,571中描述了一種用于TEPSA的裝置配置，其只包括用于提供熱再生氣體的單個外部加熱器。這種配置只包括一個不定位在吸附劑容器附近的外部加熱器，這種配置具有容易發(fā)生熱損失的缺點(diǎn)，從而極大地降低了發(fā)送給吸附劑床的熱脈沖品質(zhì)(其理想地具有矩形形狀)。

這是為什么在TEPSA工藝的實踐中迄今為止沒有應(yīng)用這種配置，而是使用例如美國專利No.7,066,986中所述配置的原因。在這個文獻(xiàn)中公開了一種用于TEPSA工藝的雙床加熱器裝置，其中每個吸附劑容器具有單獨(dú)的加熱器。加熱器以某一方式進(jìn)行設(shè)置，使得每個吸附劑容器裝備單獨(dú)的加熱器元件，其定位在吸附劑容器的入口噴嘴中。通過這種TEPSA裝置可最大限度地減小上述缺點(diǎn)，例如熱損失、變化的熱脈沖品質(zhì)等等。此外，最大限度地減小了在加熱器和吸附劑床之間的距離，從而保持了在與吸附劑床接觸之前的熱脈沖品質(zhì)。

美國專利No.7,066,986所述的加熱器裝置的問題是必須使用多個加熱器，即每個吸附劑容器各一個。這種裝置由于需要眾多加熱器，而且這些加熱器必須定位在與吸附劑容器緊密接觸的地方而造成維護(hù)工作量的增加。此外，由于加熱器包含在吸附劑容器的入口噴嘴中，所以它們由于其龐大體積而妨礙了更復(fù)雜的容器裝置的實現(xiàn)。另外，眾多加熱器由于材料和能量輸入方面的增加而對成本具有負(fù)面影響。此外，維護(hù)費(fèi)用也是較高的。

因而，需要一種改善的TEPSA工藝。本實用新型致力于克服本領(lǐng)域中已知的TEPSA工藝的缺點(diǎn)，并且尤其致力于提供一種需要較少復(fù)雜且昂貴的裝置配置的工藝，其為吸附劑床同時提供穩(wěn)定的熱脈沖。

因而，本實用新型致力于用于操作涉及空氣低溫分離之前的空氣凈化的低再生溫度TEPSA的工藝增強(qiáng)，從而簡化和減少當(dāng)前工藝的成本。

此外，本實用新型涉及可用于這種TEPSA工藝的裝置的提供。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型基于發(fā)現(xiàn)的上面的問題可通過TEPSA工藝來克服，TEPSA工藝使用單個加熱器和至少兩個單獨(dú)的吸附劑容器，由此在第一再生階段期間，在吸附容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是20oC或更低。

本實用新型因此在第一方面提供了一種溫度增強(qiáng)變壓吸附(TEPSA)工藝，其用于從氣體混合物中移除至少兩種成分，包括非強(qiáng)吸附的成分和較強(qiáng)吸附的成分，所述工藝包括使用一個單個加熱器和至少兩個吸附劑容器，在每個吸附劑容器中如下執(zhí)行包括吸附階段和后續(xù)再生階段的反復(fù)的循環(huán)：

在吸附階段，所述氣體混合物以第一方向穿過包含在吸附劑容器中的吸附劑床，使得所述氣體混合物通過使所述至少兩種成分吸附在吸附劑床中而進(jìn)行凈化，

在第一再生階段，具有選定為20oC至100oC范圍內(nèi)的任何溫度的目標(biāo)溫度的熱再生氣體按照與吸附階段期間的流向相反的流向穿過吸附劑床，且

在第二再生階段，具有選定為5oC至65oC范圍內(nèi)的任何溫度的目標(biāo)溫度的冷再生氣體按照與吸附階段期間的流向相反的流向穿過吸附劑床，

其中

通過使再生氣體從源傳送至將其加熱的所述加熱器，并將離開加熱器的熱再生氣體傳送至相應(yīng)的容器，從而將熱再生氣體提供給各個吸附劑容器，且

通過引導(dǎo)再生氣體從來源繞過加熱器至相應(yīng)的容器，從而使冷再生氣體提供給各個吸附劑容器，且

在所述第一再生階段期間，在吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是20oC或更低。

根據(jù)本實用新型的TEPSA工藝具有如這里所述的特定配置所獲得的各種優(yōu)點(diǎn)。在再生階段期間的熱損失保持極小，并且在第一再生階段期間可產(chǎn)生穩(wěn)定且尖銳的(更加矩形形狀的)熱脈沖，并熱脈沖在吸附劑床上傳送。此外，可顯著地減少維護(hù)工作量，因為對于該工藝只需要一個加熱器，并且可實現(xiàn)能量的減少，使得該工藝更為經(jīng)濟(jì)且更可持續(xù)。

通常，執(zhí)行本實用新型的工藝，使得在不同的吸附劑床中交替地執(zhí)行吸附和再生，即其中使用兩個吸附劑容器，容器1中發(fā)生吸附，且同時在容器2中發(fā)生再生。

如果使用不止兩個吸附劑床，例如三個或四個，那么仍然可使用一個單個加熱器加熱各個吸附劑容器的第一再生階段中所使用的再生氣體，因為這個階段在TEPSA工藝中相對較短，使得經(jīng)加熱的氣體可交替地提供給各個容器。

在任何情況下，對于所申明的工藝重要的是，用于第二再生階段的冷再生氣體不再通過可能關(guān)閉的加熱器，而是繞過加熱器。

在第二方面，本實用新型提供了根據(jù)第一方面的工藝，其中在所述第一再生階段期間，在吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是15oC或更低。

在第三方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第一再生階段的熱再生氣體具有選定為20oC至70oC范圍內(nèi)的任何溫度的目標(biāo)溫度。

在第四方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第二再生階段的冷再生氣體具有選定為10oC至55oC范圍內(nèi)的任何溫度的目標(biāo)溫度。

在第五方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第一再生階段的熱再生氣體的目標(biāo)溫度和第二再生階段的冷再生氣體的目標(biāo)溫度的差異是15oC或更高。

在第六方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第一再生階段的熱再生氣體的峰值溫度是45oC或更高。

在第七方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第一再生階段發(fā)生了20分鐘或更少。

在第八方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中第二再生階段發(fā)生了80分鐘或更少。

在第九方面，本實用新型提供了根據(jù)之前方面的工藝，其中整個再生循環(huán)時間(在線時間)是120分鐘或更少。

在第十方面，本實用新型提供了一種用于根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述TEPSA工藝的裝置，其包括一個單個加熱器和至少兩個吸附劑容器，其中各個吸附劑容器包括

- 用于有待凈化的氣體混合物的入口和用于通過流動路徑分離出的凈化的氣體的出口，流動路徑包括包含吸附劑床的流室，

- 用于通過流動路徑分離出的再生氣體的入口和出口，流動路徑包括所述流室，

該裝置還包括

- 將有待凈化的氣體混合物的來源與各個吸附劑容器的用于氣體混合物的入口連接起來的管線，

- 將加熱器與再生氣體的來源連接起來的管線，

- 將加熱器與各個吸附劑容器的用于再生氣體的入口連接起來的管線，和

- 將再生氣體的來源與各個吸收劑容器的入口連接起來的管線，其繞過加熱器，

其中

- 在第一再生階段期間通過使再生氣體從來源傳送至加熱器，將其加熱，并將經(jīng)加熱的再生氣體傳送至相應(yīng)的吸附劑容器的入口，從而使熱再生氣體提供給各個吸附劑容器，使得在所述第一再生階段期間，在相應(yīng)的吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是20oC或更低，且

- 通過引導(dǎo)再生氣體從來源繞過加熱器至相應(yīng)的容器，從而使冷再生氣體提供給各個吸附劑容器。

在第十一方面，本實用新型提供了根據(jù)第十方面的裝置，其中用于經(jīng)加熱的再生氣體的單個管線離開加熱器，其分裂成單獨(dú)通向各個用于再生氣體的吸附劑容器入口的管線。

在第十二方面，本實用新型提供了根據(jù)第十一方面的裝置，其中來自加熱器的單個管線連接與來自再生氣體來源的繞過加熱器的單個管線相連，從而形成單個公共的再生氣體管線，之后這個公共管線分裂成單獨(dú)通向各個用于再生氣體的吸附劑容器入口的管線。

在第十三方面，本實用新型提供了根據(jù)第十二方面的裝置，其中從加熱器至與繞過加熱器的管線的結(jié)合部的單個管線的長度X在1m至9m之間。

在第十四方面，本實用新型提供了根據(jù)第十二或第十三方面的裝置，其中來自加熱器的單個管線與繞過加熱器的管線的結(jié)合部與各個吸附劑容器的用于再生氣體的入口之間的管線的長度Y不超過6m。

在第十五方面，本實用新型提供了根據(jù)第十至第十四方面的裝置，其中來自再生氣體來源的單個管線分裂成通向加熱器的管線和繞過加熱器的管線。

在第十六方面，本實用新型提供了根據(jù)第十二至第十五方面的裝置，其中沿著長度X的管線被隔熱。

詳細(xì)描述

在本實用新型的工藝中，反復(fù)的操作循環(huán)包括吸附階段，在此期間，在第一壓力和第一溫度下沿進(jìn)給方向的進(jìn)給氣體混合物流與固體吸附劑接觸，固體吸附劑能夠吸附有待更強(qiáng)吸附的第一成分和非強(qiáng)吸附的第二成分，使得所述第一成分吸附在所述吸附劑的上游部分中，并且所述第二成分吸附在所述吸附劑的更下游部分中。

在吸附階段之后，進(jìn)給氣流被停止，并且與吸附劑接觸的氣體被減壓至較低的第二壓力。

在減壓之后，如上所述執(zhí)行再生階段。在第一再生階段期間，主要是更下游部分中(相對于吸附階段期間的氣體混合物流)的非強(qiáng)吸附成分被解吸，并且在第二再生階段，主要是吸附劑的上游部分中的更強(qiáng)吸附的第二成分被解吸。

在根據(jù)本實用新型的工藝中，在第一再生階段期間，在吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是20oC或更低。這是為了確保在第一再生階段期間的熱脈沖的高品質(zhì)。

優(yōu)選地，所述溫差為18oC或更低，更優(yōu)選15oC或更低，更優(yōu)選13oC或更低，并且最優(yōu)選11oC或更低。

通常，在第一再生階段期間，在吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是5oC或更高。

這個溫差通過在整個第一再生階段期間連續(xù)地測量吸附容器的再生氣體入口處的溫度并以測量的最高溫度值減去最低溫度值來確定。

優(yōu)選地，在根據(jù)本實用新型的工藝中，第一再生階段中的熱再生氣體的目標(biāo)溫度選定為20oC至90oC，優(yōu)選20oC至80oC，更優(yōu)選20oC至70oC，更優(yōu)選30oC至70oC，更優(yōu)選30oC至65oC，且最優(yōu)選30oC至60oC范圍內(nèi)的任何溫度。

在根據(jù)本實用新型的工藝中，第二再生階段中的冷再生氣體的目標(biāo)溫度選定為10oC至65oC，優(yōu)選15oC至65oC，更優(yōu)選15oC至60oC，且最優(yōu)選15oC至55oC范圍內(nèi)的任何溫度。

目標(biāo)溫度是在再生階段中接近吸附劑床頂面的最高溫度。

優(yōu)選地，第一再生階段的熱再生氣體的目標(biāo)溫度和第二再生階段的冷再生氣體的目標(biāo)溫度的差異是15oC或更高，更優(yōu)選是20oC或更高。

在第一再生階段，吸附劑容器的再生氣體入口處的熱再生氣體的峰值溫度，即測量的最高溫度是45oC或更高。

如提到的那樣，在TEPSA工藝中，經(jīng)加熱的再生氣體通過吸附劑床的時期是相當(dāng)短的。因而，在根據(jù)本實用新型的工藝中，第一再生階段發(fā)生30分鐘或更少，優(yōu)選25分鐘或更少，優(yōu)選20分鐘或更少，更優(yōu)選15分鐘或更少，且最優(yōu)選12分鐘或更少。

通常，第一再生階段的持續(xù)時間是5分鐘或更多，優(yōu)選10分鐘或更多。

在根據(jù)本實用新型的工藝中，第二再生階段優(yōu)選發(fā)生90分鐘或更少，優(yōu)選80分鐘或更少，更優(yōu)選70分鐘或更少，更優(yōu)選55分鐘或更少，更優(yōu)選45分鐘或更少，更優(yōu)選30分鐘或更少，且最優(yōu)選25分鐘或更少。

通常，第二再生階段的持續(xù)時間是5分鐘或更多，優(yōu)選10分鐘或更多，并且更優(yōu)選15分鐘或更多。

在根據(jù)本實用新型的工藝中，整個再生循環(huán)時間，即包括所有再生階段(在線時間)是120分鐘或更少，優(yōu)選105分鐘或更少，更優(yōu)選90分鐘或更少，更優(yōu)選75分鐘或更少，更優(yōu)選60分鐘或更少，且最優(yōu)選45分鐘或更少。

通常，整個再生循環(huán)時間是10分鐘或更多，優(yōu)選15分鐘或更多，且更優(yōu)選30分鐘或更多。

優(yōu)選地，在本實用新型的工藝中，加熱器和可選的具有“臨界長度X”的下游管線如下所述始終保持溫暖。這用于改善第一再生階段期間的熱脈沖的完整性。具有“臨界長度X”的下游管線優(yōu)選被隔熱。

優(yōu)選地，在本實用新型的工藝中，具有“長度Y”的下游管線也如下面所述被隔熱。這用于改善第一再生階段期間的熱脈沖的完整性。隔熱還用于人員防護(hù)。

優(yōu)選地，在整個工藝期間，加熱器中的溫度不會下降至第一再生階段的目標(biāo)溫度以下20oC或更少，優(yōu)選15oC或更少，更優(yōu)選10oC或更少，且最優(yōu)選5oC或更少。這可通過合適的方法來實現(xiàn)，例如只在短時期內(nèi)關(guān)閉加熱器或者在工藝期間根本不關(guān)閉它，和/或通過應(yīng)用管線(正常管道)裝置使加熱器在所有時間都保持在或接近正常操作溫度。

更優(yōu)選地，在整個工藝期間，具有長度X的下游管線在與加熱器相反的末端處的溫度不會下降至低于第一再生階段的目標(biāo)溫度以下25oC或更少，優(yōu)選20oC或更少，優(yōu)選15oC或更少，且最優(yōu)選10oC或更少。

在一個優(yōu)選實施例中，在本實用新型的工藝中，有待凈化的氣體混合物是空氣。

更優(yōu)選地，有待從氣體混合物吸附出的非強(qiáng)吸附成分是二氧化碳。

優(yōu)選地，有待凈化的氣體混合物中的CO₂濃度為50至2000ppm，優(yōu)選100至1500ppm，更優(yōu)選100ppm至1000ppm，更優(yōu)選200至800ppm，且最優(yōu)選300至600ppm。

有待凈化的氣體混合物還可包含N₂O，如果存在的話，N₂O的濃度為100至1000ppb，優(yōu)選100至900ppb，更優(yōu)選200至700ppb，且最優(yōu)選300至500ppb。

更進(jìn)一步優(yōu)選的是，有待從氣體混合物吸附出的更強(qiáng)吸附成分是水。

在本實用新型的一個實施例中，有待凈化的氣體混合物的流量在吸附階段期間是250至200000Nm³hr^-1，優(yōu)選250至175000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選250至125000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選350至100000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選350至50000 Nm³hr^-1，且最優(yōu)選500至20000 Nm³hr^-1。在進(jìn)一步的實施例中，再生氣體的流量在第一和/或第二再生階段期間是250至150000 Nm³hr^-1，優(yōu)選250至125000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選250至100000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選250至50000 Nm³hr^-1，更優(yōu)選250至15000 Nm³hr^-1，且最優(yōu)選500至15000 Nm³hr^-1。

掃氣/空氣比(P/A比)為0.1至0.9，優(yōu)選0.2至0.8，更優(yōu)選0.2至0.7，更優(yōu)選0.25至0.6，且最優(yōu)選0.3至0.5。

有待凈化的氣體混合物(進(jìn)給流)的壓力為1至50巴，優(yōu)選2至45巴，更優(yōu)選3至40巴，更優(yōu)選3.5至30巴，更優(yōu)選3.5至20巴，且最優(yōu)選4至10巴。

本實用新型的工藝的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例涉及在任何所述的實施例中使用如下文所述的裝置。

在另一方面，本實用新型提供了一種用于任一上述實施例中所述TEPSA工藝的裝置，其包括一個單個加熱器和至少兩個吸附劑容器，其中各個吸附劑容器包括

- 用于有待凈化的氣體混合物的入口和用于通過流動路徑分離出的凈化的氣體的出口，流動路徑包括包含吸附劑床的流室，

- 用于通過流動路徑分離出的再生氣體的入口和出口，流動路徑包括所述流室，

該裝置還包括

- 將有待凈化的氣體混合物的來源與各個吸附劑容器的用于氣體混合物的入口連接起來的管線，

- 將加熱器與再生氣體的來源連接起來的管線，

- 將加熱器與各個吸附劑容器的用于再生氣體的入口連接起來的管線，和

- 將再生氣體的來源與各個吸收劑容器的入口連接起來的管線，其繞過加熱器，

其中

- 在第一再生階段期間通過使再生氣體從來源傳送至加熱器，將其加熱，并將經(jīng)加熱的再生氣體傳送至相應(yīng)的吸附劑容器的入口，從而使熱再生氣體提供給各個吸附劑容器，使得在所述第一再生階段期間，在相應(yīng)的吸附劑容器的再生氣體入口處的最高和最低溫度值之間的溫差是20oC或更低，且

- 通過引導(dǎo)再生氣體從來源繞過加熱器至相應(yīng)的容器，從而使冷再生氣體提供給各個吸附劑容器。

在根據(jù)本實用新型的裝置的一個優(yōu)選實施例中，用于經(jīng)加熱的再生氣體的單個管線離開加熱器，其分裂成單獨(dú)通向各個用于再生氣體的吸附劑容器入口的管線。

進(jìn)一步優(yōu)選地，來自加熱器的單個管線與來自再生氣體來源的繞過加熱器的單個管線相連，從而形成單個公共的再生氣體管線，之后這個公共管線分裂成單獨(dú)通向各個用于再生氣體的吸附劑容器入口的管線。

在本實用新型的一個特別優(yōu)選的實施例中，從加熱器至與繞過加熱器的管線的結(jié)合部的單個管線的長度X在1m至9m之間，優(yōu)選在1m至6m之間。

通過將加熱器和來自加熱器的管線與繞過加熱器的管線的結(jié)合部之間的管線的“臨界長度X”保持在1m至9m之間，在第一再生階段期間可將特別尖銳的熱脈沖提供給吸附劑床。

如上面提到的那樣，在本實用新型的工藝中，加熱器和如上所述還可能具有“臨界長度X”的下游管線優(yōu)選始終保持溫暖。因此，管線沿著長度X優(yōu)選被隔熱。

在本實用新型的裝置的一個優(yōu)選實施例中，來自再生氣體來源的單個管線分裂成通向加熱器的管線和繞過加熱器的管線。

在本實用新型的裝置的一個優(yōu)選實施例中，在來自加熱器的單個管線與繞過加熱器的管線的結(jié)合部與各個吸附劑容器的用于再生氣體的入口之間的管線的總長度，即“長度Y”不超過6m，更優(yōu)選不超過4m，且最優(yōu)選不超過3m。

根據(jù)本實用新型的裝置具有各種優(yōu)點(diǎn)。單個加熱器并不直接連接在或包含在吸附劑容器的入口噴嘴中的應(yīng)用容許更簡單的布置。這種簡單且更經(jīng)濟(jì)的布置還容許更有效的維護(hù)，從而節(jié)省維護(hù)時間和維護(hù)成本。此外，因為加熱器的溫度將不會降低至環(huán)境溫度，所以當(dāng)流量改道至加熱器上并傳送至吸附劑容器時，利用本實用新型的裝置可實現(xiàn)更方正的溫度分布線。管線溫度的衰退得以降低，并因此通過本實用新型的裝置可獲得更尖銳溫度分布線。

附圖說明

圖1示出本領(lǐng)域中已知的兩個吸附容器(2個床)，其包含具有集成加熱器的TEPSA裝置；

圖2示出兩個吸附容器(2個床)，其包含具有外部加熱器和旁通管線的TEPSA配置；

圖3示出簡化的“熱備”加熱器裝置，其描繪了管線長度“X”(距離X)和管線長度“Y”(距離Y)；

圖4示出三個吸附容器(3個床)，其包含具有外部加熱器和旁通管線的TEPSA裝置；

圖5示出曲線圖，其顯示了沒有“熱備”加熱器裝置的TEPSA再生流溫度分布線，X=1m；

圖6示出曲線圖的比較，其顯示了沒有“熱備”加熱器裝置的TEPSA再生流溫度分布線，X=1m且X=9m；

圖7示出曲線圖的比較，其顯示了帶隔熱且X=9m的“熱備”再生和備用分布線以及帶隔熱且X=1m的“熱備”再生和備用分布線。

圖8示出曲線圖的比較，其顯示了不帶隔熱且X=9m的“熱備”再生和備用分布線以及不帶隔熱且X=1m的“熱備”再生和備用分布線。

圖9示出曲線圖的比較，其顯示了帶隔熱且X=1m的“熱備”再生和備用分布線，不帶隔熱且X=1m的“熱備”再生和備用分布線，以及沒有“熱備”加熱器裝置且不帶隔熱且X=1m的再生流溫度分布線。

圖10示出曲線圖的比較，其顯示了X=9m且?guī)Ц魺岬摹盁醾洹痹偕植季€與沒有“熱備”加熱器裝置且X=9m的再生流溫度分布線的對比。

圖11示出曲線圖的比較，其顯示了X=9m且?guī)Ц魺岬摹盁醾洹痹偕植季€與沒有“熱備”加熱器裝置且X=1m的再生流溫度分布線的對比。

具體實施方式

圖1中所示的裝置是實踐中當(dāng)前如何使用的用于TEPSA工藝的現(xiàn)有技術(shù)裝置。如圖可見，不是使用了一個單個加熱器為吸附劑床提供熱再生氣體，而是在各個吸附劑容器的再生氣體入口附近存在單獨(dú)的加熱器，用于為各個容器加熱再生氣體。

因而在圖1中，在各吸附劑容器20,22的附近定位了兩個加熱器62,62'。通過該配置，確保了去向吸附劑床的熱脈沖的完整性，然而，該裝置是復(fù)雜的，因為每個吸附劑容器20,22需要裝備單獨(dú)的加熱器，其則意味著更高的投資成本。

圖2顯示了可用于本實用新型的配置。再生氣體源自再生氣體來源。單個加熱器62定位在通過兩個閥門58和60隔離的再生氣體管線中，閥門控制著再生氣體的傳送。再生氣體從而可通過打開閥門60而穿過加熱器62，或者通過關(guān)閉閥門60且打開閥門58而繞過加熱器。在距離X中，即在朝吸附劑容器(參見圖3“吸附劑容器20,22”)的方向上離開加熱器的長度X的管線與通過閥門58控制的用于冷再生氣體的旁通管線連接在一起。到所述結(jié)合部的管線長度X被描繪為距離X，并且始終保持溫暖，例如通過包括所述管線的隔熱。圖3還描繪了管線長度Y(距離Y)，其中未顯示再生氣體入口(只描繪為“通向吸附劑容器20,22”)。然而，管線長度Y是在朝吸附劑容器方向上離開加熱器的長度X的管線與通過閥門58控制的用于冷再生氣體的旁通管線的結(jié)合部和吸附劑容器的再生氣體入口之間的距離。必須注意的上，長度Y是針對從所述結(jié)合部至相應(yīng)的吸附劑容器的各個管線而單獨(dú)測量的。在圖3中還顯示了所述“熱備”加熱器裝置的細(xì)節(jié)。

根據(jù)圖2，有待凈化的空氣(進(jìn)給流)在入口12處供給主空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)10，其在此處被多級壓縮機(jī)壓縮，通過與水的熱交換進(jìn)行中間冷卻和后冷卻。經(jīng)冷卻的壓縮空氣供給入口歧管14，入口歧管14包含入口控制閥16和18，其連接一對包含吸附劑床的容器20和22。入口歧管通過包含通風(fēng)閥26,28的通風(fēng)歧管24而橋接在控制閥16和18的下游，通風(fēng)閥用于關(guān)閉和打開在相應(yīng)的吸附劑容器20和22的上游端和通風(fēng)口30之間通過消聲器32的連接。這兩個吸附劑床20和22均包含至少兩種吸附劑。進(jìn)給端吸附劑由相應(yīng)的床中的數(shù)字34,34'來指定，并且生產(chǎn)端吸附劑由數(shù)字36,36'來指定。

該裝置具有出口38，其通過包含出口控制閥42,44的出口歧管40而連接在兩個吸附劑容器20,22的下游末端。

出口歧管40通過包含再生氣體控制閥48和50的再生氣體歧管46進(jìn)行橋接。在再生氣體歧管46的上游，包含控制閥54的管線52還橋跨在出口歧管40上。用于再生氣體的入口設(shè)于56處，其通過控制閥58和60連接，以穿過加熱器62，或者通過旁通管線64到達(dá)再生氣體歧管46。

閥門的操作可通過本領(lǐng)域中已知的合適的可編程計時和閥門操作裝置(未顯示)進(jìn)行控制。

在操作過程中，空氣在主空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)10中進(jìn)行壓縮，并進(jìn)給至入口歧管14，并穿過兩個包含吸附劑的容器中的其中一個。從空氣穿過打開的閥門16至吸附劑容器20，并穿過打開的閥門42至出口38的位置開始，入口歧管中的閥門18將關(guān)閉，以切斷容器22的有待凈化的空氣的進(jìn)給。閥門44也將被關(guān)閉。在這個階段，閥門48,50,54和26都是關(guān)閉的。床20因而是在線的，并且床22將進(jìn)行再生。

為了開始床22的減壓，閥門28被打開，并且一旦容器22中的壓力下降至所需的水平，閥門28保持打開，同時打開閥門50，以便開始再生氣體的流動。再生氣體將通常是從空氣分離單元冷箱中獲得的無CO₂的干氮流，可能包含少量的氬、氧以及其它氣體，在所示裝置中凈化的空氣將傳送至空氣分離單元冷箱中。閥門60被關(guān)閉，并且閥門58被打開，從而在傳送到容器22中之前將再生氣體加熱至例如70oC的溫度。雖然再生氣體在所選的高溫下進(jìn)入容器22中，但其由于放熱以便從容器的上邊下游吸附劑部分36'中解吸出二氧化碳，被非常輕微地冷卻。因為熱脈沖保持在系統(tǒng)中，所以離開的掃氣氣體以冷卻的狀態(tài)從通風(fēng)出口30中顯露出來。逐漸地，熱浪隨著二氧化碳的清除而穿過上邊的吸附劑36'。在所需的時期之后，當(dāng)熱脈沖部分地穿過上邊的吸附劑36'時，閥門58被關(guān)閉，且閥門60被打開，使得再生氣體流現(xiàn)在變成冷的。冷卻的再生氣體使熱脈沖進(jìn)一步穿過上邊的吸附劑36'。

當(dāng)上邊的吸附劑已經(jīng)通過TSA再生時，冷再生氣體已經(jīng)繼續(xù)流過下邊吸附劑，并且通過減少其壓力而從上游吸附劑中通過PSA解吸水和二氧化碳。在分配的再生時期結(jié)束時，閥門50可被關(guān)閉，以終止再生氣體的流動，并且可打開閥門54，以便從吸附劑中置換氮?dú)猓⒃陉P(guān)閉閥門28之后，重新用凈化的空氣對容器22加壓。之后，可關(guān)閉閥門54，并可打開閥門18和44，以便使容器22返回在線狀態(tài)。留在床中的余熱可通過凈化的空氣作為溫度脈沖移除，這可在下游熱交換器中移除。容器20然后可以相似的方式進(jìn)行再生，并且整個順序按照分段的操作循環(huán)延續(xù)：容器在線、減壓、再生、重新加壓、并返回在線狀態(tài)。

根據(jù)本實用新型，熱脈沖在再生期間不會穿透至吸附水的吸附劑部分的邊界那么遠(yuǎn)。這將位于區(qū)域34,34'中的某處，位于與圖中所示的區(qū)域36,36'的邊界下面。區(qū)域34,34'和36,36'的實際比例依賴于操作條件，例如進(jìn)給壓力、進(jìn)給溫度、循環(huán)時間和掃氣/空氣比。

圖4顯示了一種用于“熱備”應(yīng)用的新穎的三個吸附劑容器方案，由此在吸附劑容器之間的合適的位置安裝和“共享”單個加熱器，而非利用三個單獨(dú)的加熱器。這種裝置帶來了更大的簡易性，并且更可持續(xù)，因為其節(jié)省了能量、維護(hù)時間，并且可更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

示例

在有和沒有“熱備”的裝置中執(zhí)行了仿真，以試驗在第一再生階段期間發(fā)送給吸附劑容器的熱脈沖的完整性(形式)。

有“熱備加熱器”的裝置與圖3中所示相對應(yīng)。在根據(jù)圖2的TEPSA裝置中執(zhí)行實驗，由此使用了與圖3相對應(yīng)的“熱備加熱器”。在“沒有熱備加熱器”的裝置中，所有再生氣體穿過加熱器，加熱器因此必須在加熱第一再生階段所需要的再生氣體之后關(guān)閉，并且只有在下一第一再生階段開始時打開，以便將再生氣體加熱至所需的溫度。

此外，利用帶有和不帶隔熱管道的“熱備”加熱器裝置執(zhí)行了實驗。

用于實驗的試驗裝置具有最大1500Nm³hr^-1的可用流量。管道和加熱器的負(fù)載分別是4''和24kW。

利用彎管流量計測量了加熱器上游的流量，并且測量了加熱器上游和下游的壓力。

熱電偶放置在：

a)加熱器的上游，以測量氣體溫度，從而測量跨加熱器的溫升；

b)周圍位置，用于熱損失計算；和

c)0.2m，1m處，然后以1m的間隔至高達(dá)9m，從而容許在遠(yuǎn)離加熱器的遞增的距離處同時獲得多個溫度-時間的曲線。

空氣流速描述了進(jìn)給流至TEPSA容器的進(jìn)給流速。因為所應(yīng)用的實驗裝置僅對再生氣體的加熱構(gòu)建模型，所以使用掃氣流速。因此，下文中空氣流速描述了掃氣流速。掃氣流速對于加熱和冷卻步驟保持相同。在熱備裝置中，穿過試驗裝置的流量減少至零，以模仿加熱器中的停滯氣體。

ΔT被限定為在TEPSA容器的進(jìn)給流溫度和吸附劑床頂部的再生溫度之間的差異。對于所有示例，所以需要的ΔT是30oC，因此，在實驗期間所達(dá)到的ΔT必須至少30oC。這意味著對于所有示例，所需要的30oC的ΔT是流溫度方面的最低溫度增量，其必須達(dá)到以滿足再生要求。所有示例滿足這個要求。

比較性示例1(CE1)

對于比較性示例1，應(yīng)用了表1中所示的條件。

表1：用于比較性示例1和2的實驗條件。

參見圖5的曲線圖，CE1顯示了從冷的位置離開加熱器的溫度脈沖過程，其中沒有應(yīng)用“熱備”。加熱器安裝在公共管線中，公共管線將再生氣體從再生氣體來源提供給TEPSA工藝。加熱時間是10分鐘。在加熱器下游X=1m的距離處測量溫度。

如圖5中可看出，溫度脈沖升高有遲緩的過程。在加熱器關(guān)閉之后，隨著加熱器和相關(guān)聯(lián)的管道被氣體冷卻下來，熱量仍供給吸附劑床，氣體現(xiàn)在應(yīng)是去向吸附劑床的“冷的”掃氣。

比較性示例2(CE2)

對于比較性示例2，應(yīng)用了針對CE1所使用的試驗條件和設(shè)置。

然而，溫度是在加熱器下游X=9m的距離處測量的。在圖6中顯示了結(jié)果。在圖6中，分別比較了距離X=1m處針對CE1和距離X=9m處針對CE2的溫度分布線?？梢钥闯觯訜崞鞫ㄎ辉陔x吸附劑容器越遠(yuǎn)，那么熱脈沖存在額外的衰減。隨著離加熱器的距離增加，流溫度增加得越慢，并且峰值溫度(在10分鐘處)較低。

在冷卻步驟期間流溫度的降低速率在離加熱器越遠(yuǎn)的距離處越少(參見圖6)。該差異使得在關(guān)閉加熱器之后較短的時期內(nèi)，離加熱器最遠(yuǎn)的流溫度比緊接加熱器之后的流溫度更熱。例如在冷卻步驟期間的某個時間點(diǎn)，這個差異可能達(dá)到5oC那么顯著。在9m處的流溫度比1m處的流溫度熱5oC。

本實用新型的示例1(IE1)

對于實用新型的示例1，應(yīng)用了表2中所示的條件。

表2：用于實用新型的示例1的實驗條件。

用于加熱器的“熱備”設(shè)置被加以使用，并且應(yīng)用了隔熱。應(yīng)用的隔熱材料為再循環(huán)纖維。

在低且短的溫度循環(huán)的情況下(<70oC，<10分鐘)大量的熱脈沖衰減是由管道以及加熱器本身的熱質(zhì)量造成的。所以隔熱主要用于防止熱損失至環(huán)境中，即防止“熱備”部件在未使用時冷卻下來。此外，通過將加熱器保持在“熱備”模式下，避免加熱器由于冷再生氣體而冷卻下來。

溫度是在離加熱器的物理位置X=1m和X=9m(距離X)的距離處測量的。當(dāng)冷的掃氣通過關(guān)閉閥門58并打開閥門60(參見圖3)而被引導(dǎo)穿過旁通管線時，下游管道保持溫暖。

圖7顯示了針對帶熱備裝置的IE1的測量值的溫度分布線，其具有隔熱，且X=1m和X=9m。加熱器定位在離吸附劑容器越遠(yuǎn)，可觀測到額外的熱脈沖衰減。

本實用新型的示例2(IE2)

在下表3中描繪了用于IE2的實驗條件。

表3：用于實用新型的示例2的實驗條件。

在圖8中顯示了用于IE2測量值的溫度分布線，其具有熱備裝置，沒有隔熱，且X=1m和X=9m。如圖可以清晰地看出，加熱器定位在離吸附劑容器越遠(yuǎn)，那么熱脈沖存在額外的衰減。這個發(fā)現(xiàn)與圖6中已經(jīng)顯示的非“熱備”裝置的發(fā)現(xiàn)是一致的。

此外，從圖8可推斷X=1m和X=9m的IE2的峰值溫度比IE1更低。這可回溯至失去的隔熱。

在下文中，在下表4中列出了對于CE1和CE2以及IE2的30oC溫度上升時間的結(jié)果。

表4：針對CE1、CE2和IE2的30oC溫度上升時間。

從表4中可推斷距離X對于溫度上升時間具有重要的影響，這通過相對于CE1，CE2和IE2的ΔT上升時間的不同值而清晰地顯示出來。此外，其還顯示了“熱備”裝置顯著地降低了ΔT上升時間。

在表5中，顯示了關(guān)于在有和沒有隔熱的條件下的熱備效果的測量結(jié)果，其中X=1m。CE1以及IE1和IE2的溫度峰值和ΔT上升時間進(jìn)行了比較。在表5中提供了結(jié)論。

表5：關(guān)于熱備效果的結(jié)果。

圖9描繪了對于X=1m距離的CE1、IE1和IE的溫度分布線。

本實用新型的示例與比較性示例的比較清晰地顯示了熱備模式和帶隔熱的熱備已經(jīng)改善了溫度峰值和上升時間。

圖10和圖11提供了對于X=9m的IE1所獲得的溫度分布線與針對CE1(參見圖11)和CE2(參見圖10)所獲得的結(jié)果比較。

圖11描繪了CE1(X=1m)和IE1(X=9m)的溫度分布線。

對于IE1，當(dāng)將其與CE1比較時可以清晰地看出，直接在離開加熱器之后的加熱工藝開始時的溫度降，即在所述第一再生階段期間最高和最低溫度值之間的差異從45oC減少至大約12oC。在同CE2的比較中顯示了相似的效果。因而，應(yīng)用于IE1的條件和裝置容許更加大量高級別熱量引入到TEPSA工藝中。此外，可獲得更高的峰值溫度。此外，達(dá)到峰值溫度需要較少的能量，因為在第一再生階段期間最高和最低溫度值之間的差異被顯著減少了。

在表6中顯示了針對X=1m的CE1和針對X=9m的IE1的測量結(jié)果(在圖11中描繪了溫度曲線)。CE1和IE1的溫度峰值和ΔT上升時間進(jìn)行了比較。在下表6中提供了結(jié)論。

表6：關(guān)于在變化的長度X上帶隔熱的熱備效果和沒有熱備及隔熱的比較。

從圖11和表6中可推斷，在帶隔熱的熱備情況下，IE1(參見相應(yīng)的上邊劃點(diǎn)曲線)，溫度峰值和ΔT上升時間得以改善，即使長度X從X=1m(CE1)擴(kuò)展至X=9m(IE1)。圖10中所描繪的CE2(X=9m)與IE1(X=9m)的比較顯示了在本實用新型的帶隔熱的熱備裝置和傳統(tǒng)設(shè)置之間甚至更強(qiáng)的差異。

雖然上面已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本實用新型的原理，但是應(yīng)該清晰地理解，本說明書僅僅是作為示例制作的，而非本實用新型的范圍限制。