吸附床結構及過程的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及用于氣體分離過程的吸附床結構的領域。更具體而言，本發(fā)明涉及包括獨立的模塊化緊湊吸附床單元的用于基于吸附的氣體分離過程的吸附床結構。
【背景技術】
[0002]使用吸附床的氣體分離過程是本領域中公知的。典型的基于吸附的過程包括從多組分進氣選擇性吸附至少一個或多個可吸附的氣體組分來產生包含一個或多個吸附性較小的氣體組分的產品氣體的那些。特別相關但不限于其的是循環(huán)吸附過程，其中至少一個經(jīng)吸附的氣體組分使用諸如在變壓吸附(PSA)過程、變真空吸附(VSA)過程、變真空壓力吸附(VPSA)過程或變溫(TSA)過程中進行的反向氣流來從吸附劑材料中除去。這些過程近幾年發(fā)展顯著，其中對吸附劑材料、吸附床和總體過程參數(shù)和控制進行了改善。與此設備的構造和操作相關聯(lián)的成本由競爭市場壓力不斷驅使而降低，且變得最重要的是通過減小床尺寸和使構件標準化來降低與設計、構筑、運輸和操作此設備相關聯(lián)的成本。期望的是使用較小或緊湊的床結構來降低吸附劑材料的要求；減小工廠設備如過程容器和調壓室的尺寸；以及還減小包括運輸墊木大小的總體設備占地面積。較小的墊木繼而又降低了運輸和安裝成本。
[0003]本吸附床結構匯集了設計使用的利益；模塊化且可規(guī)模改變的吸附床設計中的低的入口空隙容積、大的床面積，以及短的床深度(傳送長度)需要減少吸附劑存量和具有較小總體大小的較小工廠設備。這些模塊化緊湊設計更適于相比常規(guī)床構造減小的傳送長度幾何形狀，因為較大的容器難以制造，且在此傳統(tǒng)構造中具有高度和尺寸限制。這對于徑向床設計別是如此。另外，提供現(xiàn)在結合現(xiàn)代過程強化要求使用的較短循環(huán)時間的能力由于高空隙損失和縮短的閥壽命而很難在傳統(tǒng)較大的構造中實施。例如，常規(guī)徑向或軸向構造將需要若干單獨的容器，這將使得它們的構造和維護不經(jīng)濟。
[0004]因此，期望設計用于基于吸附的氣體分離過程的新的吸附床系統(tǒng)，其大體上尺寸較??；需要較低制造成本；容易運輸；具有較少維護和修理要求；以及容易裝載吸附劑材料。同樣重要的是設計較小的吸附床，但不會不利地影響過程流；循環(huán)速度；生產率和生產量；以及可能增加更新的更強化的過程的總體功率需求。這些較小的設計導致了基于吸附的氣體分離設備的顯著成本節(jié)省。
[0005]已經(jīng)提出了現(xiàn)有的模塊化緊湊床設計。例如，美國專利8，361，205和8，268，043公開了兩種此類設計。本發(fā)明公開了獨特的模塊化設計，其具有關于制造和操作成本的優(yōu)點。一方面，本文教導的單獨的進料和產品通道提供更一致的流動分布和較小的壓降，導致更平衡的進料和產品流。本發(fā)明的另一方面涉及的事實是內部構件的組裝使得總體結構更堅固，且比之前的設計需要更少的總體構造材料(一般是碳鋼，且通常是不銹鋼)。本文公開的外部產品歧管還使得了使用廉價的焊接或其它技術來密封，且使得有可能使用廉價的閥或其它限流裝置或幾何形狀來調整進入各個模塊化緊湊吸附床單元的氣流，導致了更平衡的過程氣流。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于基于吸附的氣體分離過程中使用的吸附床容器的新穎模塊化緊湊設計，且特別適于循環(huán)吸附過程，如，PSA、VSA、VPSA和TSA過程。模塊化緊湊設計包括獨立模塊化(吸附)床單元，其可以以排成一行(in-line)的順序連接來形成集成模塊化吸附床，其在本文中稱為具有變化的尺寸和長度的"模塊化床結構"。模塊化緊湊床設計便于增大床正面(frontal)流動區(qū)域、較短床深度和優(yōu)化的傳送長度。
[0007]本發(fā)明的一個實施例包括用于從包含至少一個可吸附組分的進氣除去至少一個可吸附氣體組分的基于吸附的氣體分離過程，其包括:將進氣傳遞到包括一個或多個連接的模塊化緊湊吸附床單元的吸附床結構中，其中各個單元均允許進氣進入和產品氣體流出，其與單元內的流動通道流動連通，且包括:
a)由第一外壁和第二外壁構成的兩個末端的大致平行的氣體不可透過的外壁，
b)定位在外壁內的兩個大致平行的氣體可透過內壁，其由鄰近第一外壁的第一內壁和鄰近第二外壁的第二內壁構成；
c)外部壁，其包圍內壁和外壁的周緣，且形成第一外壁與第一內壁之間的第一隔間，以及第二外壁與第二內壁之間的第二隔間；
d)允許進氣穿過內壁和外壁且拒絕氣體進入第一隔間的進料流動通道；
e)密集地填裝在第一內壁與第二內壁之間且圍繞流動通道的外周的吸附劑材料；以及
f)允許除去產品氣體的出口通道；
其中進氣穿過流動通道，且通過與第二外壁接觸來部分地偏轉，引起偏轉進氣的至少一部分反向，且沿著流動通道內的流的逆流方向流過第二隔間，且穿過吸附床結構中的吸附劑材料，以及其中進氣的至少一個可吸附氣體組分由吸附劑材料優(yōu)先吸附，導致包含一個或多個吸附性較小的氣體組分的產品氣體離開吸附劑材料，穿過第一隔間進入出口通道，以便產品氣體集中在產品氣體歧管中，產品氣體歧管優(yōu)選在外部壁外。
[0008]在本發(fā)明的另一個實施例中，一種模塊化緊湊吸附床單元包括:
a)由第一外壁和第二外壁構成的兩個末端的大致平行的不可透過的外壁；
b)由第一內壁和第二內壁構成的定位在外壁內的兩個大致平行的氣體可透過的內壁；
c)大致圓形的外部壁，其包圍內壁和外壁的周緣，且形成第一外壁與第一內壁之間的第一隔間，且還形成第二內壁與第二外壁之間的第二隔間，
d)進料流動通道，其允許進氣穿過外壁和內壁且拒絕進氣與第一隔間流動連通，進料流動通道能夠流動連通，所述流動連通允許流入第二模塊化緊湊吸附床單元中；
e)裝填在第一內壁和所述第二內壁之間且圍繞流動通道的外周以形成吸附床的吸附劑材料；
f)以及第一隔間中的至少一個出口通道，其允許透過氣體從吸附床除去到產品氣體歧管中。
[0009]模塊化緊湊吸附床結構還提供成由一個或多個此類單元制成。
[0010]在本發(fā)明的又一個實施例中，提供了一種吸附床結構，包括: 多個緊湊模塊化吸附床單元，其分別包括:
兩個相對端；
在兩個相對端之間延伸的外部壁；
容納在外部壁內且由外部壁包圍的吸附床；
位于吸附床與兩個相對端中的一個之間的第一隔間；
位于吸附床與兩個相對端中的另一個之間的第二隔間；
用于將包含至少一個可吸附氣體組分的進氣流引入吸附床的進料流動通道；
進料流動通道穿過兩個相對端中的一個附近的第一隔間，且與兩個相對端中的另一個附近的第二隔間連通；以及
與第一隔間連通的出口通道；
多個緊湊模塊化吸附床單遠端對端連接，使得如在任何兩個相鄰緊湊吸附床單元之間那樣，兩個相鄰緊湊吸附床單元中的一個的第二隔間位于兩個相鄰緊湊吸附床單元中的另一個的第一隔間附近，且進氣流的一部分流自第二隔間且流入兩個相鄰緊湊吸附床中的一個的吸附床中，而進氣流的另一部分流入兩個相鄰緊湊吸附床單元中的另一個的進料流動通道，以允許至少一個可吸附氣體組分沿著與進料流動通道內的進氣流的流動方向成逆流的方向被吸附到吸附床中，從而且產生了在各個緊湊模塊化吸附床單元的第一隔間中的包含一個或多個吸附性較小的氣體組分的產品氣流；以及
產品氣體歧管，其連接到各個緊湊模塊化吸附床單元的出口通道上，以集中由各個緊湊模塊化吸附床單元產生的產品氣流。
[0011]最后，一個或多個模塊化緊湊吸附床結構可以以并流(parallel flow)布置組合和構造(如圖5中列舉)，以實現(xiàn)較新的高等級吸附劑的更有效使用且獲得穿過系統(tǒng)的減小的壓降。
【附圖說明】
[0012]為了更完整理解本發(fā)明，將連同附圖參照以下詳細描述，在附圖中:
圖1為本發(fā)明的一個實施例的外部透視圖，示出了具有四個模塊化緊湊吸附床單元的吸附床結構，所述緊湊吸附床單元具有大體上圓形設計且以排成一行的順序連接。
[0013]圖2為以90度剖開透視的圖1中所示的吸附床結構，示出了該結構的內部視圖。
[0014]圖3a為末端單個模塊化吸附床單元的透視圖，其為圖1的實施例的一部分。
[0015]圖3b為圖3a中所示的單元的分解視圖版本。
[0016]圖4為圖1的吸附床結構的圖示，示出了作為循環(huán)吸附過程的一個階段的吸附過程期間的氣流分布。
[0017]圖5為包括兩個模塊化吸附床結構的氣體分離設備的圖示。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明針對一種多個模塊化緊湊吸附床單元的連接產生的模塊化吸附床結構，所述模塊化吸附床結構提供使用這些單元導致優(yōu)化氣體分離的過程。如本文所述的用語"模塊化吸附床單元"或"單元"是包含含有吸附劑材料的吸附床的獨立單元，且各個單元均可連接到附加單元上來形成〃模塊化吸附床結構〃。
[0019]因此，用于氣體分離設備的一個或多個常規(guī)填料床由多個模塊化緊湊吸附床單元替換，模塊化緊湊吸附床單元組合在一起，包括本文描述為吸附床結構的完整吸附容器。各個獨立模塊化緊湊吸附床單元包含吸附劑材料，且組合來構成完整尺寸的吸附床結構，其具有特定工藝要求所需的尺寸和大小。這些單元可為了均勻性和質量在車