专利名称：利用吸附作用分离空气的工艺和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在一种装置中利用压力波动吸附作用来分离空气的工艺，该装置至少具有一个吸附器。
术语“压力波动吸附作用”(PSA)用以表示各种循环，这些循环被推荐用来在吸附器或每个吸附器的压力于高压和低压之间变化时利用显著的等温优先(选择)吸附作用从大气(空气)中提取氧气。循环的高压力可大于或等于大气压力，而循环的低压力可等于或低于大气压力。这些工艺具有单吸附器或多吸附器的吸附工步、减压工步／还原工步和再加压工步的各种不同组合。
在压力波动吸附作用(PAS)工艺的吸附剂内发生着复杂的热现象。这一方面是由于被吸附的成分的吸附热量或解吸热量，另一方面是由于流动的流体与吸附剂之间的热交换造成的。已观察到(见美国专利申请5，529，610号的例子)这些现象的结果是有利于在吸附剂的填充物内形成热梯度。
然而，所供给的吸附剂具有一定效率，它的效率随温度而变化。因此，热梯度对吸附器的性能产生了影响。曾经建议采取各种措施，或者当它有害时，减小这一影响；或者利用它的优点，例如使用金属棒在吸附剂内加强热传导(美国专利申请4，026，680号)，或者在温度区域采用多重填充物以适应数种类型的吸附剂。
应当明白，在从空气中制取氧气的情况下，热梯度是特别显著的，当大多数进入的流体被吸附然后被解吸，结果是量非常大的吸附／解吸热量参与到每个循环之中。
申请公司惊奇地注意到，通过给吸附剂填充物以特殊的几何形状，PSA空气分离工艺的效率就可显著地提高。
于是根据本发明的工艺其特征在于，通过使气体流基本上径向地穿过圆环形的固定的填充物来建立吸附器中的气体流体，该填充物含有体积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米之间)的吸附剂。
本发明还涉及用来完成这种类型工艺的空气分离装置。
包括压缩空气源和至少一个可选地与这一压缩空气源相联接的吸附器的这种类型装置，其特征在于-吸附剂的体积V至少等于1米3；-吸附器含有圆环形的固定的吸附剂填充物；以及-圆环形填充物的高度H至少等于0．8×V0．35，单位是米；一般地，H≥1×V0．35并且不超过3×V0．35。
在一个实施例中，该圆环形的填充物支承在具有热绝缘材料的底板上。
本发明的图解实施例现将参考附图
来加以描述，其中用单个图形示意地表示了根据本发明的装置。
该图示意地表示了含有圆环形的吸附剂填充物2的吸附器1，该吸附器适用于通过处理大气(空气)的PSA工艺使氮气与氧气分离。吸附剂2可以是工艺中熟知的任何种类的颗粒材料，例如分子筛5A。
吸附器1具有垂直轴线X-X方向上的外罩3，外罩3包括圆柱形壳4、下凸穹5和上凸穹6。穹5装有外侧边管7，并具有直径为d的以密封(无泄漏)方式穿通穹5的中心管8。
圆盘状的刚性下底板9被焊在管8的周围，在穹5上方的小距离内。位于底板9下方的管8的部分设有打孔，反之位于这底板上方的管8的部分被打了孔。上盖板10封闭了管8的上端。圆环形的网格栅11同轴地围绕着管8的打孔部分并且其底脚部分被焊在底板9的圆周上。网格栅的顶部焊在圆环形的折弯件12上，而件12自身被焊在壳4的上端部。
吸附剂2填充在限定于管8和网格栅11之间的整个空间。柔性的隔膜13经过它的中央区域弹性地支承在上盖板10之上，并经过它的中间的圆环形区域弹性地支承在吸附器的大致是整个的上表面，隔膜13的伸展边缘14以无泄漏方式用粘结剂粘结在折弯件12上。为了保证隔膜13适于长久地应用在吸附剂上，利用气源15在凸穹6中保持着超过吸附作用循环的最大压力的压力，气源15和穹上的孔口16相联接。
于是吸附器包含了圆环形的吸附剂填充物，填充物的体积V至少等于1米3，它的高度H等于底板9至隔膜13之间的距离，而其半径的厚度e等于管8与网格栅11之间的距离。
在使用中，吸附器经历的循环包括吸附作用阶段，此阶段中管7在循环的高压(它至少等于大气压)下和气源17相联接、吸附剂的还原阶段，包含了至少一个降低至循环的低压的减压工步；和再压缩至高压的阶段。这个循环可能是推荐的许多循环中的任意一个循环。
在吸附作用阶段，要处理的空气进入把网格栅11与外罩3的壳4隔开的圆环形空间18，并基本上是径向地向内穿过填充物2(实线箭头)同时氮气被吸附。生产的氧气被收集在管8内并通过它的下端部离开吸附器。
在还原阶段，管7可和大气相通或和真空泵19相联接，并且管8可能关闭或与洗提气源20相联接，例如在使吸附器减压的阶段期间制取氧气或非纯氧气的情况。在所有情况下，在和上面一种方向相反的方向上产生了基本上是径向的气流，这就是说在离心方向上(点划线箭头)穿过填充物2经过管8离开吸附器。
填充物2的几何形状是这样的，即H≥0．8×V0．35，有利的是H≥V0．35和H≤3×V0．35，以及较好的是H在1．0×V0．35与2．5×V0．35之间。
人们惊奇地注意到，对于径向厚度为e的填充物，当把短的试验性装置扩大规模为高的工业规格装置时，填充物的性能得到了改进，而理论上没有东西可预测这一结果，恰恰相反，在工业性装置的情况下，气流的分布更不利。
这个结果被认为是以下事实造成的，即通过平行于气流的表面SL的热量的横向输入(它改变吸附剂的相邻区域的温度)按比例是小得多。
与气流正交的相对较不重要的热梯度将导致吸附剂在与气流垂直的整个横截面上工作得更均匀，并因此使总性能更好。
人们还进一步惊奇地观察到，根据本发明的吸附器用于分离氧气所需的单位能量显著地低于相同体积的相同吸附剂以传统的高度为e圆筒形填充物布局的、气流垂直地流过这个填充物的吸附器的。
再一次地想到，这一有利的结果是由于以下事实造成的，即窄长形状吸附器就表示平行于气流的上部和下部表面面积SL显著地小于和少于具有传统的圆筒形填充物的吸附器的情况的，这点减小了垂直于气流方向(就是说平行于X-X轴线)的热梯度。
可优化地为底板9提供热绝缘，如示意图中以9A所表示的，以便进一步减小吸附剂内的垂直热梯度。
作为一种变型，填充物2可由至少两个同心的单体圆环形填充物组成，每个填充物由不同的吸附剂构成。
权利要求
1．在至少具有一个吸附器的装置中利用压力波动吸附作用来分离空气的工艺，其特征在于，通过使气流基本上是径向地穿过圆环形的固定的填充物(2)来建立吸附器(1)中的气体流体，填充物(2)含有体积V最少等于1米3及其高度H至少等于0．8×V0．35米的吸附剂。
2．根据权利要求1的工艺，其特征在于，所说的高度(H)至少等于V0．35。
3．根据权利要求2的工艺，其特征在于，所说的高度(H)不超过3×V0．35。
4．利用压力波动吸附作用来分离空气的一种装置包括压缩空气源(12)和至少一个可选择地和这个压缩空气源相联接的吸附器(1)，其特征在于-吸附剂的体积V至少等于1米3；-吸附器(3)含有圆环形的固定的吸附剂填充物(2)；以及-圆环形的填充物的高度H至少等于0．8×V0．35米。
5．根据权利要求4的装置，其特征在于，所说的高度(H)至少等于V0．35。
6．根据权利要求5的装置，其特征在于，所说的高度(H)不超过3×V0．35。
7．根据权利要求4至7中任一条的装置，其特征在于，圆环形的填充物(2)支承在配置有热绝缘材料的底板(9)上。
8．根据权利要求4至7的任一条的装置，其特征在于，所说的圆环形的填充物(2)包括至少两个同心单体圆环形吸附剂填充物。
9．根据权利要求8的装置，其特征在于，所说的圆环形填充物由不同的吸附剂组成。
全文摘要
根据本发明的工艺,利用使气流基本上是径向地穿过圆环形的填充物(2)来建立吸附器(1)中的气体流体,圆环形填充物(2)含有体积(V)至少等于1米
文档编号B01D53/047GK1205909SQ98109798
公开日1999年1月27日 申请日期1998年6月11日 优先权日1998年6月11日
发明者克里斯廷·莫纳雷奥 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司