專利名稱：利用吸附作用分離空氣的工藝和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一種裝置中利用壓力波動(dòng)吸附作用來分離空氣的工藝，該裝置至少具有一個(gè)吸附器。
術(shù)語“壓力波動(dòng)吸附作用”(PSA)用以表示各種循環(huán)，這些循環(huán)被推薦用來在吸附器或每個(gè)吸附器的壓力于高壓和低壓之間變化時(shí)利用顯著的等溫優(yōu)先(選擇)吸附作用從大氣(空氣)中提取氧氣。循環(huán)的高壓力可大于或等于大氣壓力，而循環(huán)的低壓力可等于或低于大氣壓力。這些工藝具有單吸附器或多吸附器的吸附工步、減壓工步／還原工步和再加壓工步的各種不同組合。
在壓力波動(dòng)吸附作用(PAS)工藝的吸附劑內(nèi)發(fā)生著復(fù)雜的熱現(xiàn)象。這一方面是由于被吸附的成分的吸附熱量或解吸熱量，另一方面是由于流動(dòng)的流體與吸附劑之間的熱交換造成的。已觀察到(見美國專利申請(qǐng)5，529，610號(hào)的例子)這些現(xiàn)象的結(jié)果是有利于在吸附劑的填充物內(nèi)形成熱梯度。
然而，所供給的吸附劑具有一定效率，它的效率隨溫度而變化。因此，熱梯度對(duì)吸附器的性能產(chǎn)生了影響。曾經(jīng)建議采取各種措施，或者當(dāng)它有害時(shí)，減小這一影響；或者利用它的優(yōu)點(diǎn)，例如使用金屬棒在吸附劑內(nèi)加強(qiáng)熱傳導(dǎo)(美國專利申請(qǐng)4，026，680號(hào))，或者在溫度區(qū)域采用多重填充物以適應(yīng)數(shù)種類型的吸附劑。
應(yīng)當(dāng)明白，在從空氣中制取氧氣的情況下，熱梯度是特別顯著的，當(dāng)大多數(shù)進(jìn)入的流體被吸附然后被解吸，結(jié)果是量非常大的吸附／解吸熱量參與到每個(gè)循環(huán)之中。
申請(qǐng)公司驚奇地注意到，通過給吸附劑填充物以特殊的幾何形狀，PSA空氣分離工藝的效率就可顯著地提高。
于是根據(jù)本發(fā)明的工藝其特征在于，通過使氣體流基本上徑向地穿過圓環(huán)形的固定的填充物來建立吸附器中的氣體流體，該填充物含有體積V至少等于1米3及其高度H至少等于0．8×V0．35米(通常是在1×V0．35米至3×V0．35米之間)的吸附劑。
本發(fā)明還涉及用來完成這種類型工藝的空氣分離裝置。
包括壓縮空氣源和至少一個(gè)可選地與這一壓縮空氣源相聯(lián)接的吸附器的這種類型裝置，其特征在于-吸附劑的體積V至少等于1米3；-吸附器含有圓環(huán)形的固定的吸附劑填充物；以及-圓環(huán)形填充物的高度H至少等于0．8×V0．35，單位是米；一般地，H≥1×V0．35并且不超過3×V0．35。
在一個(gè)實(shí)施例中，該圓環(huán)形的填充物支承在具有熱絕緣材料的底板上。
本發(fā)明的圖解實(shí)施例現(xiàn)將參考附圖
來加以描述，其中用單個(gè)圖形示意地表示了根據(jù)本發(fā)明的裝置。
該圖示意地表示了含有圓環(huán)形的吸附劑填充物2的吸附器1，該吸附器適用于通過處理大氣(空氣)的PSA工藝使氮?dú)馀c氧氣分離。吸附劑2可以是工藝中熟知的任何種類的顆粒材料，例如分子篩5A。
吸附器1具有垂直軸線X-X方向上的外罩3，外罩3包括圓柱形殼4、下凸穹5和上凸穹6。穹5裝有外側(cè)邊管7，并具有直徑為d的以密封(無泄漏)方式穿通穹5的中心管8。
圓盤狀的剛性下底板9被焊在管8的周圍，在穹5上方的小距離內(nèi)。位于底板9下方的管8的部分設(shè)有打孔，反之位于這底板上方的管8的部分被打了孔。上蓋板10封閉了管8的上端。圓環(huán)形的網(wǎng)格柵11同軸地圍繞著管8的打孔部分并且其底腳部分被焊在底板9的圓周上。網(wǎng)格柵的頂部焊在圓環(huán)形的折彎件12上，而件12自身被焊在殼4的上端部。
吸附劑2填充在限定于管8和網(wǎng)格柵11之間的整個(gè)空間。柔性的隔膜13經(jīng)過它的中央?yún)^(qū)域彈性地支承在上蓋板10之上，并經(jīng)過它的中間的圓環(huán)形區(qū)域彈性地支承在吸附器的大致是整個(gè)的上表面，隔膜13的伸展邊緣14以無泄漏方式用粘結(jié)劑粘結(jié)在折彎件12上。為了保證隔膜13適于長久地應(yīng)用在吸附劑上，利用氣源15在凸穹6中保持著超過吸附作用循環(huán)的最大壓力的壓力，氣源15和穹上的孔口16相聯(lián)接。
于是吸附器包含了圓環(huán)形的吸附劑填充物，填充物的體積V至少等于1米3，它的高度H等于底板9至隔膜13之間的距離，而其半徑的厚度e等于管8與網(wǎng)格柵11之間的距離。
在使用中，吸附器經(jīng)歷的循環(huán)包括吸附作用階段，此階段中管7在循環(huán)的高壓(它至少等于大氣壓)下和氣源17相聯(lián)接、吸附劑的還原階段，包含了至少一個(gè)降低至循環(huán)的低壓的減壓工步；和再壓縮至高壓的階段。這個(gè)循環(huán)可能是推薦的許多循環(huán)中的任意一個(gè)循環(huán)。
在吸附作用階段，要處理的空氣進(jìn)入把網(wǎng)格柵11與外罩3的殼4隔開的圓環(huán)形空間18，并基本上是徑向地向內(nèi)穿過填充物2(實(shí)線箭頭)同時(shí)氮?dú)獗晃健Ｉa(chǎn)的氧氣被收集在管8內(nèi)并通過它的下端部離開吸附器。
在還原階段，管7可和大氣相通或和真空泵19相聯(lián)接，并且管8可能關(guān)閉或與洗提氣源20相聯(lián)接，例如在使吸附器減壓的階段期間制取氧氣或非純氧氣的情況。在所有情況下，在和上面一種方向相反的方向上產(chǎn)生了基本上是徑向的氣流，這就是說在離心方向上(點(diǎn)劃線箭頭)穿過填充物2經(jīng)過管8離開吸附器。
填充物2的幾何形狀是這樣的，即H≥0．8×V0．35，有利的是H≥V0．35和H≤3×V0．35，以及較好的是H在1．0×V0．35與2．5×V0．35之間。
人們驚奇地注意到，對(duì)于徑向厚度為e的填充物，當(dāng)把短的試驗(yàn)性裝置擴(kuò)大規(guī)模為高的工業(yè)規(guī)格裝置時(shí)，填充物的性能得到了改進(jìn)，而理論上沒有東西可預(yù)測(cè)這一結(jié)果，恰恰相反，在工業(yè)性裝置的情況下，氣流的分布更不利。
這個(gè)結(jié)果被認(rèn)為是以下事實(shí)造成的，即通過平行于氣流的表面SL的熱量的橫向輸入(它改變吸附劑的相鄰區(qū)域的溫度)按比例是小得多。
與氣流正交的相對(duì)較不重要的熱梯度將導(dǎo)致吸附劑在與氣流垂直的整個(gè)橫截面上工作得更均勻，并因此使總性能更好。
人們還進(jìn)一步驚奇地觀察到，根據(jù)本發(fā)明的吸附器用于分離氧氣所需的單位能量顯著地低于相同體積的相同吸附劑以傳統(tǒng)的高度為e圓筒形填充物布局的、氣流垂直地流過這個(gè)填充物的吸附器的。
再一次地想到，這一有利的結(jié)果是由于以下事實(shí)造成的，即窄長形狀吸附器就表示平行于氣流的上部和下部表面面積SL顯著地小于和少于具有傳統(tǒng)的圓筒形填充物的吸附器的情況的，這點(diǎn)減小了垂直于氣流方向(就是說平行于X-X軸線)的熱梯度。
可優(yōu)化地為底板9提供熱絕緣，如示意圖中以9A所表示的，以便進(jìn)一步減小吸附劑內(nèi)的垂直熱梯度。
作為一種變型，填充物2可由至少兩個(gè)同心的單體圓環(huán)形填充物組成，每個(gè)填充物由不同的吸附劑構(gòu)成。
權(quán)利要求
1．在至少具有一個(gè)吸附器的裝置中利用壓力波動(dòng)吸附作用來分離空氣的工藝，其特征在于，通過使氣流基本上是徑向地穿過圓環(huán)形的固定的填充物(2)來建立吸附器(1)中的氣體流體，填充物(2)含有體積V最少等于1米3及其高度H至少等于0．8×V0．35米的吸附劑。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于，所說的高度(H)至少等于V0．35。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的工藝，其特征在于，所說的高度(H)不超過3×V0．35。
4．利用壓力波動(dòng)吸附作用來分離空氣的一種裝置包括壓縮空氣源(12)和至少一個(gè)可選擇地和這個(gè)壓縮空氣源相聯(lián)接的吸附器(1)，其特征在于-吸附劑的體積V至少等于1米3；-吸附器(3)含有圓環(huán)形的固定的吸附劑填充物(2)；以及-圓環(huán)形的填充物的高度H至少等于0．8×V0．35米。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，所說的高度(H)至少等于V0．35。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于，所說的高度(H)不超過3×V0．35。
7．根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一條的裝置，其特征在于，圓環(huán)形的填充物(2)支承在配置有熱絕緣材料的底板(9)上。
8．根據(jù)權(quán)利要求4至7的任一條的裝置，其特征在于，所說的圓環(huán)形的填充物(2)包括至少兩個(gè)同心單體圓環(huán)形吸附劑填充物。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，所說的圓環(huán)形填充物由不同的吸附劑組成。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的工藝,利用使氣流基本上是徑向地穿過圓環(huán)形的填充物(2)來建立吸附器(1)中的氣體流體,圓環(huán)形填充物(2)含有體積(V)至少等于1米
文檔編號(hào)B01D53/047GK1205909SQ98109798
公開日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1998年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月11日
發(fā)明者克里斯廷·莫納雷奧 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司