活性炭吸附器的制作方法

本实用新型属于吸附器领域，具体而言，本实用新型涉及活性炭吸附器。

背景技术：

活性炭吸附器是多晶硅干法回收工艺中对还原尾气中的氢气进行提纯的关键设备，是实现“改良西门子法”闭环控制的主要设备之一。顾名思义，该设备内主要进行的是物理吸附过程，是对除氢气外的其他杂质气体进行吸附，进而实现对吸附后高纯度氢气的循环利用。

目前，活性炭吸附主流工艺是在变温变压的条件下实现的，通过压力和温度的控制和调节，以提高吸附效率，缩短吸附剂再生时间。相对于压力控制，因吸附剂传热的特殊性和设备结构的复杂性，导致对吸附剂温度的灵活调节和吸附剂温度的均匀性控制很难实现。

为了解决吸附器内温度控制的相关问题，现有工艺一般在活性炭吸附器的内部和外部设置控温组件，内部设置的换热组件主要包括换热管组和各种内盘管，外部设置的控温组件主要包括夹套和外环管。例如现有的一种外部设置夹套内部设置换热管组的吸附塔，其换热管组呈阶梯状、串联连接；一种内部设置中空内筒和内盘管，外部设置外盘管加热的多层吸附塔；一种外壁设置外半管环管，内部采用套管结构直列管，且吸附柱内套管与内套管环管采用法兰连接的吸附柱等。

现有活性炭吸附器中的换热组件虽然在一定程度上对吸附剂的温度控制和吸附器换热效率的提高有积极作用，但还是有一些问题值得商榷。

对于串联的阶梯状换热管组件，其换热效率有待进一步提高；对于制造时盘管减薄及焊接的问题，容易使换热组件在运行时泄漏，导致吸附剂失效，甚至使得吸附塔报废；对于内套管与内套管环管法兰连接的吸附器，法兰紧固困难且法兰密封处泄漏时不易察觉、维修困难，而且内套管环管的设计结构复杂，要求裙座下部有足够大的安装空间。

综上所述，对于活性炭吸附器，从换热效率和设备安全稳定长期运行两个方面综合考虑，其设计还有待于进一步改进和优化。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种活性炭吸附器。该吸附器的换热套管采用并联方式排列，传热效率高，长平直管内套管与内支管和换热内套管之间均采用承插结构连接，不仅可以减少连接焊缝数量，有效降低热源介质泄漏的风险，而且还可以有效吸收热变形，减小各管的热应力。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种活性炭吸附器，根据本实用新型的实施例，该吸附器包括：

吸附器主体，所述吸附器主体具有吸附剂入口、气体入口和气体出口，所述吸附器主体的下端为下封头，所述吸附器主体的外壁设有传热结构；

承插式套管组件，所述承插式套管组件包括：

主管，所述主管包括内主管和外主管，所述内主管与所述外主管为内外套管式双层结构，且适于通过所述内/外主管往所述承插式套管组件输送换热介质，并通过所述外/ 内主管排出换热后介质；

支管，所述支管包括内支管和外支管，所述内支管与所述外支管为内外套管式双层结构，所述内支管与所述内主管垂直连通，所述外支管与所述外主管垂直连通；

长平直管，所述长平直管包括长平直管内套管和长平直管外套管，所述长平直管内套管与所述长平直管外套管为内外套管式双层结构，所述长平直管内套管与所述内支管采用承插结构垂直连通，所述长平直管两端设有第一管帽，所述长平直管外套管与所述外支管垂直连通；

换热套管，所述换热套管包括换热内套管和换热外套管，所述换热内套管和所述换热外套管为内外套管式双层结构，所述换热内套管与所述长平直管内套管采用承插结构垂直连通，所述换热外套管的一端设有第二管帽，所述换热管外套管的另一端与所述长平直管外套管垂直连通，所述换热套管沿轴向穿过所述下封头插入所述吸附器主体内部；

裙座，所述裙座与所述吸附器主体相连。

根据本实用新型实施例的活性炭吸附器，通过采用内外套管式双层结构的主管、支管、长平直管和换热套管，可显著降低吸附器内换热管组件的体积，节约空间，有效降低裙座的安装高度；长平直管内套管与内支管、长平直管内套管与换热内套管均采用承插结构连接，拆装方便，而且减少了换热内套管与外部管道连接的焊缝，与换热内套管的法兰连接相比，可以有效地减少换热套管的泄漏，同时，这种连接方式可以吸收内支管、长平直管内套管和换热内套管受热膨胀引起的变形，减小由于结构限制引起的应力；换热套管沿轴向穿过下封头插入吸附器主体内部，换热套管并联排列，具有较高的换热效率。由此，采用本申请的具有承插式套管组件组成的活性炭吸附器结构紧凑、安装拆卸方便，与以往盘管或其他形式的活性炭吸附器内置换热组件相比，可有效降低热源介质泄漏的风险，同时在传热结构和换热套管的共同作用下，能有效提高吸附器主体内部的传热换热效率，使吸附器主体内的吸附剂温度分布均匀。

另外，根据本实用新型上述实施例的活性炭吸附器还可以具有如下附加的技术特征：

任选的，通过四通连通所述外支管、所述长平直管外套管和所述换热外套管。由此，可进一步减少承插式套管组件的焊缝，降低承插式套管组件的泄漏风险。

任选的，通过大小头连通所述换热外套管与所述长平直管外套管。由此，可进一步减少承插式套管组件的焊缝，降低承插式套管组件的泄漏风险。

任选的，在所述换热内套管为光管或外壁设有强化传热结构的管。由此，有利于提高换热套管的换热效率。

任选的，在所述换热外套管为光管或外壁设有强化传热结构的管。由此，可进一步提高换热套管的换热效率。

任选的，所述主管上垂直连通多条所述支管。由此，有利于节约承插式套管组件的体积。

任选的，包含多条所述长平直管，且每条所述长平直管与每条所述支管垂直连通。由此，可进一步节约承插式套管组件的体积。

任选的，每条所述长平直管上垂直连通多条所述换热套管。由此，可进一步节约承插式套管组件的体积。

任选的，多条所述换热套管并联。由此，可进一步节约承插式套管组件的体积。

任选的，所述并联排列的换热套管的排列形式为正方形、正三角形或正六边形。由此，有利于提高吸附器主体内吸附剂温度分布的均匀性。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的活性炭吸附器的主视图；

图2是根据本实用新型一个实施例的活性炭吸附器的承插式套管组件的主视图；

图3是根据本实用新型再一个实施例的活性炭吸附器的承插式套管组件的俯视图；

图4是根据本实用新型一个实施例的承插结构示意图；

图5是根据本实用新型一个实施例的承插式套管组件的局部连通结构示意图；

图6是本实用新型实施例的换热套管的温度分布图(左)和吸附器主体内部距离下封头1m处横截面的吸附剂温度分布图(右)；

图7是本实用新型实施例的换热外套管与下封头焊接连接处的应力强度图(左)和交变应力强度图(中和右)。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种活性炭吸附器，根据本实用新型的实施例，参考图1-5，该吸附器包括：吸附器主体100、承插式套管组件200和裙座300。

根据本实用新型的一个实施例，吸附器主体100上具有吸附剂入口、气体入口和气体出口，吸附器主体100下端为下封头，外壁上设有传热结构11，且适于通过吸附剂入口通入吸附剂，通过气体入口通入多晶硅还原尾气，以实现多晶硅还原尾气的提纯净化和吸附剂的脱吸及再生过程。需要说明的是，吸附器主体外壁上的传热结构并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为夹套形式的换热结构，也可以为螺旋盘管。由此，有助于加快吸附器主体内部吸附剂的传热效率，提高多晶硅还原尾气的提纯净化和吸附剂的脱吸及再生的效率。

根据本实用新型的再一个实施例，承插式套管组件200包括：主管210、支管220、长平直管230和换热套管240，且适于对吸附器主体内的吸附剂进行加热或冷却。

根据本实用新型的一个具体实施例，主管210包括内主管211和外主管212，内主管 211与外主管212为内外套管式双层结构，且适于通过内/外主管往承插式套管组件输送换热介质，并通过外/内主管排出换热后介质。发明人发现，主管通过采用内外套管式双层结构，有利于减小承插式套管组件的占用空间，进而降低该吸附器的成本。

根据本实用新型的再一个具体实施例，支管220包括内支管221和外支管222，内支管221与外支管222为内外套管式双层结构，内支管221与内主管211垂直连通，外支管222与外主管212垂直连通，且适于连通主管和长平直管。发明人发现，支管通过采用内外套管式双层结构，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，进而进一步降低该吸附器的成本。根据本实用新型的一个实施例，主管210上垂直连通多条支管220，由此，多条支管形成并联通路，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，同时，有利于提高吸附器的换热效率。具体的，多条支管平行地与主管垂直连通。

根据本实用新型的又一个具体实施例，长平直管230包括长平直管内套管231和长平直管外套管232，长平直管内套管231与长平直管外套管232为内外套管式双层结构，长平直管内套管231与内支管221采用承插结构垂直连通，长平直管230两端设有第一管帽 233，长平直管外套管232与外支管222垂直连通，且适于连通支管和换热套管。发明人发现，长平直管通过采用内外套管式双层结构，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，进一步降低该吸附器的成本。长平直管两端设有第一管帽，即长平直管内套管和长平直管外套管的两端均设有第一管帽。长平支管的中部与支管相连。由此，可进一步减小承插式套管组件的占用空间。长平直管内套管与内支管采用承插结构垂直连通，拆装方便，而且有利于减少承插式套管组件的焊缝，与法兰连接相比，可以有效地减少承插式套管组件的泄漏，同时，这种连接方式可以有效地吸收长平直管内套管和内支管受热膨胀引起的变形，减小由于结构限制引起的应力。根据本实用新型的一个具体实施例，包含多条长平直管230，且每条长平直管230与每条支管220垂直连通。例如，每条长平直管与和其垂直连通的支管所在的平面与主管和支管所在的平面垂直。

根据本实用新型的又一个具体实施例，换热套管240包括换热内套管241和换热外套管242，换热内套管241和换热外套管242为内外套管式双层结构，换热内套管241与长平直管内套管231采用承插结构垂直连通，换热外套管241的一端设有第二管帽243，换热管外套管242的另一端与长平直管外套管232垂直连通，换热套管240沿轴向穿过下封头插入吸附器主体100内部，且适于通过换热套管内流动的介质，实现对吸附器主体内吸附剂的加热或冷却，从而实现对多晶硅还原尾气的提纯净化或吸附剂的脱吸与再生。发明人发现，换热套管通过采用内外套管式双层结构，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，进而降低该吸附器的成本。长平直管内套管与换热内套管采用承插结构垂直连通，拆装方便，而且有利于减少承插式套管组件的焊缝，与法兰连接相比，可以有效地减少承插式套管组件的泄漏，同时，这种连接方式可以有效地吸收长平直管内套管和换热内套管受热膨胀引起的变形，减小由于结构限制引起的应力。通过在换热外套管的一端设置第二管帽，有利于换热内套管的介质流进换热外套管，或换热外套管内的介质流入换热内套管。同时在传热结构和换热套管的共同作用下，能有效提高吸附器主体内部的传热换热效率，使吸附器主体内的吸附剂温度分布均匀。需要说明的是，换热外套管与下封头之间可采用焊接的方式连接。

根据本实用新型的又一个具体实施例，可以通过四通21连通外支管222、长平直管外套管232和换热外套管242。由此，因内支管与长平直管内套管、长平直管内套管与换热内套管均采用承插结构垂直连通，而长平直管外套管与外支管、换热外套管采用四通连接，可使得长平直管外套管与外支管、换热外套管，加上长平直管内套管与换热内套管、长平直管内套管与内支管均采用承插结构连通，使得长平直管与换热套管拆装方便，即可将每根换热套管单独拆出，将每根长平直管单独拆出，有利于在换热套管或长平直管发生泄漏时单根处理，单根更换，显著节约活性炭吸附器的维修成本。同时，这种结构可进一步减少承插式套管组件的焊缝，与法兰连接相比，可以有效地减少承插式套管组件的泄漏。

根据本实用新型的又一个具体实施例，可以通过大小头连通换热外套管242与长平直管外套管232。由此，因长平直管内套管与换热内套管采用承插结构垂直连通，而长平直管外套管与换热外套管采用大小头连接，可使得长平直管与换热套管拆装方便，进而进一步减少承插式套管组件的焊缝，与法兰连接相比，可以有效地减少承插式套管组件的泄漏。

根据本实用新型的又一个具体实施例，换热内套管241和换热外套管242可分别独立的为光管或外壁设有强化传热结构的管，强化传热结构可以为翅片。由此，有利于提高换热套管的传热效率，进而提高换热套管与吸附剂的换热效率。

根据本实用新型的又一个具体实施例，每条长平直管230上垂直连通多条换热套管240。由此，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，进而降低该吸附器的成本。

根据本实用新型的又一个具体实施例，多条换热套管240并联。由此，可进一步减小承插式套管组件的占用空间，进而降低该吸附器的成本。同时，有利于提高承插式套管组件的换热效率。具体的，承插式套管组件内的介质可以通过内/外主管分流流到各并联的内 /外支管，再从各并联的内/外支管流到各并联的长平直管内/外套管，接着从各并联的长平直管内/外套管流到各并联的换热内/外套管，然后在第二管帽的作用下，介质从各并联的换热外/内套管的顶部流到各并联的长平直管外/内套管，再从各并联的长平直管外/内套管流到各并联的外/内支管，最后汇集到外/内主管，再从外/内主管流出承插式换热管，完成介质在承插式套管组件内的流动。需要说明的是，介质既可以先从内主管流进去，从外主管流出来，也可以从外主管流进去，再从内主管流出来。同时，介质既可以是热介质，为吸附剂提供热量，也可以是冷介质，为吸附剂降温。对此，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

根据本实用新型的又一个具体实施例，并联排列的换热套管240的排列形式可以为正方形、正三角形或正六边形排列。发明人发现，通过将并联排列的换热套管以正方形、正三角形或正六边形排列，有利于提高吸附器主体内吸附剂的温度分布均匀性，进而提高多晶硅还原尾气的提纯净化效率和吸附剂的脱吸及再生效率。

根据本实用新型的又一个实施例，裙座300与吸附器主体100相连。

根据本实用新型实施例的活性炭吸附器，通过采用内外套管式双层结构的主管、支管、长平直管和换热套管，可显著降低吸附器内换热管组件的体积，节约空间，有效降低裙座的安装高度；长平直管内套管与内支管、长平直管内套管与换热内套管均采用承插结构连接，拆装方便，而且减少了换热内套管与外部管道连接的焊缝，与换热内套管的法兰连接相比，可以有效地减少换热套管的泄漏，同时，这种连接方式可以有效地吸收内支管、长平直管内套管和换热内套管受热膨胀引起的变形，减小由于结构限制引起的应力；换热套管沿轴向穿过下封头插入吸附器主体内部，换热套管并联排列，具有较高的换热效率。由此，采用本申请的具有承插式套管组件组成的活性炭吸附器结构紧凑、安装拆卸方便，与以往盘管或其他形式的活性炭吸附器内置换热组件相比，可有效降低热源介质泄漏的风险，同时在传热结构和换热套管的共同作用下，能有效提高吸附器主体内部的传热换热效率，使吸附器主体内的吸附剂温度分布均匀。

下面参考具体实施例，对本实用新型进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本实用新型。

实施例

一活性炭吸附器，包括吸附器主体100、承插式套管组件200和裙座300。

其中，吸附器主体100具有吸附剂入口、气体入口和气体出口，其下端为下封头，内径为3m，外壁设有螺旋盘管传热结构，且适于通过吸附剂入口通入吸附剂，通过气体入口通入多晶硅还原尾气，以实现多晶硅还原尾气的提纯净化和吸附剂的脱吸及再生过程。

承插式套管组件200包括：主管210、支管220、长平直管230和换热套管240，且适于对吸附器主体内的吸附剂进行加热或冷却。主管210包括内主管211和外主管212，内主管211与外主管212为内外套管式双层结构，且适于通过内/外主管往承插式套管组件输送换热介质，并通过外/内主管排出换热后介质。主管210上垂直连通11条支管220，每条支管220包括内支管221和外支管222，内支管221与外支管222为内外套管式双层结构，内支管221与内主管211垂直连通，外支管222与外主管212垂直连通，且适于连通主管和长平直管。每条支管220与一条长平直管230垂直连通，长平直管230包括长平直管内套管231和长平直管外套管232，长平直管内套管231与长平直管外套管232为内外套管式双层结构，长平直管内套管231与内支管221采用承插结构垂直连通，长平直管230两端设有第一管帽233，长平直管外套管232与外支管222垂直连通，且适于连通支管和换热套管。每条长平直管230与多条换热套管240连通，共设置有93根换热套管，且该换热套管以正方形方式排列，每条换热套管240包括换热内套管241和换热外套管242，换热内套管241和换热外套管242为内外套管式双层结构，换热内套管241与长平直管内套管 231采用承插结构垂直连通，换热外套管241的一端设有第二管帽243，换热管外套管242 的另一端与长平直管外套管232垂直连通，换热套管240沿轴向穿过下封头插入吸附器主体100内部，且换热外套管与下封头之间采用焊接的方式进行连接，插入吸附器主体内部的长度约为11.97m，换热内套管241和换热外套管242的外壁均设置有翅片，且适于通过换热套管内流动的介质，实现对吸附器主体内吸附剂的加热或冷却，从而实现对多晶硅还原尾气的提纯净化或吸附剂的脱吸与再生。其中，外支管222、长平直管外套管232和换热外套管242通过四通21连通。

裙座300与吸附器主体100相连，具体的，可与下封头相连。

对上述结构下介质在承插式套管组件内流动时换热套管与吸附器主体内吸附剂的温度场进行非稳态仿真模拟，结果如图6所示。由图可知，在该结构下换热套管与吸附剂之间具有较高的传热效率，且吸附器主体内吸附剂的温度分布较均匀。

对换热外套管与下封头的焊接连接进行应力分析，结果如图7所示。其中，左图为最差工况下换热外套管与下封头焊接处的应力强度，中和右显示的是压力和温度改变时换热外套管与下封头焊接处最大的交变应力幅度值。由图可知，该结构能够保证活性炭吸附器稳定可靠的长期运行。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。