专利名称：串联式单床层径向吸附塔的制作方法
串联式单床层径向吸附塔本发明涉及应用串联放置的吸附塔/吸附器组来净化原料气体流、尤其是含水和二氧化碳的空气流的吸附方法。该方法一般是在低温蒸馏分离过程之前。已知的是，大气空气包含在所述空气被引入空气分离单元的冷箱的热交换器之前必需除去的化合物，尤其是主要化合物二氧化碳(CO2)和水蒸汽(H2O)以及所谓的次级杂质例如氮氧化合物和/或碳氢化合物。实际上，在没有这种对空气的预处理以从中去除它的杂质尤其是CO2和水的情况下，当空气被冷却到通常等于或低于约-150°C的低温时，这些杂质将固化成冰，这可能造成设备尤其是热交换器和蒸馏塔堵塞的问题。类似地，次级杂质(NxOy和CnHm)如果在净化时不在冷箱的顶部处被大部分阻止，则它们将聚集在低压蒸馏塔的再沸器内并可能损坏该热交换器。术语NxOy应理解为意指氮氧化合物，术语CnHm应理解为意指碳氢化合物。目前，根据具体情况通过TSA (变温吸附)或PSA (变压吸附)法实施空气的预处理。术语PSA这里涉及真实PSA法、VSA (变真空吸附)法和VPSA法及诸如此类。本发明应用于采用径向吸附塔的各种方法和设备，尤其是以TSA方式运行(也就是说以变温运行)的方法和设备。通常，用于空气净化的TSA方法循环包括以下步骤a)通过在超级大气压和环境温度下吸附杂质来净化空气；b)将吸附塔减压至大气压；c)在大气压下尤其通过废气来再生吸附剂，该废气通常是来自空气分离单元并用一个或多个热交换器加热到通常100-250°C的温度的不纯氮气；d)尤其是通过将空气持续引入所述来自空气分离单元的废气但不加热来将吸附剂冷却至环境温度；和e)用例如来自处于生产阶段的另一吸附塔的经过净化的空气对吸附塔再加压。一般地，空气预处理装置包括两个交替运行的吸附塔，也就是说，其中一个吸附塔处于生产阶段而另一个吸附塔处于再生阶段。生产阶段对应于通过吸附杂质来净化气体混合物。再生阶段对应于通过用加热到例如100°C -250°C温度的废气加热吸附剂，来脱附在吸附步骤期间留在吸附剂上的杂质。该阶段尤其包括减压、加热、冷却和再加压步骤。通常在再生阶段的开始或结束时，添加使两个吸附塔并联的步骤，该步骤具有较长持续时间，例如在几秒到几分钟的范围内。这种TSA空气净化法尤其在文献 US-A-3738084 和 FR-A-7725845 中有所说明。当待净化的量变得很大时，已知使用文献US-A-4M1851或EP-A-1638669中所教导的径向吸附塔。径向吸附塔使得能够以可靠和重复的方式通过吸附来净化大量流体尤其是大气空气，同时仍保持被处理流体的良好分布以及适合所用的吸附剂颗粒的机械性能的流体流速。径向吸附塔的操作在
图1中示出。待净化或分离的流体1在径向吸附塔10的底部处进入，流过吸附剂主体20且产物在顶部2处离开。在再生期间，再生流体3经由顶部逆流式进入并解除吸附包含在吸附剂主体20中的杂质，而废气40在底部处离开。吸附塔10本身由圆筒形壳体组成，该壳体具有垂直轴线AA和两个端壁。吸附剂主体通过紧固到上端壁的穿孔外部格栅11和类似的穿孔内部格栅12以及通过在底部处的非穿孔板13被保持就位。气体1在圆筒形壳体和外部格栅之间的外部自由区域14中在周边上垂直地流动，沿径向通过吸附剂主体20，然后在内部自由区域15中垂直地流动，然后经由顶部离开吸附塔。再生以相反的方式实施。为了去除空气中的CO2和水，一般使用并联的吸附塔，每个吸附塔都包括两个床层-第一活性氧化铝或硅胶床层，在该第一床层上优先吸附水；和-第二分子筛床层，在该第二床层上优先吸附C02。因此，每个吸附塔都包括三个格栅。然而，由于机械构造原因，这三个格栅的使用限制了吸附塔的高度。具体地说，这些径向吸附塔的直径可以达到6米或7米的范围，但是经常由于运输的原因，它有时不能达到这些尺寸。对于固定式吸附塔的直径来说，由于这三个格栅的装配，不是总能够增加吸附塔的高度以便增加其容量。装配可以水平地进行， 从内部格栅开始同心地按顺序插入格栅。每个格栅的端部都依次紧固到端壁上，另一端自由以便能将下一个格栅插入其中。与第一装配好的格栅——亦即也是最柔性格栅的内部格栅——的水平线的任何偏差都必须不超过一定长度，以使得中间格栅能够从中通过。除了机械构造问题之外，使用具有太大尺寸的径向吸附塔时，由于沿这些床层 (在外部分布空间中)的大的流量梯度，因此可能导致床层中的差的气体分布。此外，如果考虑到含大量水的气体，即在低压和在高温下饱和的气体，则所需氧化铝的量将很大而分子筛的量相对于所述氧化铝的量将很小。这种分子筛/氧化铝的不成比例将加重建造所述径向吸附塔的困难，因为内部格栅和中间格栅的直径将类似，由此进一步限制了吸附塔的最大高度。另外，在内部格栅和中间格栅靠近在一起的这种情况下，由于各个格栅的非理想的特性和各种变形，将难以保证分子筛床层的均勻厚度，这可能导致在分子筛厚度较小的区域中产生优先通道。对于上述限制，已经设想了几种解决方案，同时还能够处理单独一对3格栅吸附塔不能处理的产量。这些解决方案在文献W02008/078028中有所说明，包括添加并联的径向吸附塔、使用各处理一半产量的三个瓶罐、或者安装两对并联的吸附塔。以待处理的产量由6巴压力下的800，OOONmVh空气表示为例，使用两个3格栅吸附塔不能处理这一产量。可以选择例如安装两个单元，该两个单元各自包括两个3格栅吸附塔，它们各处理所述产量的一半。还必需设置流量控制系统，以保证空气流在两个单元之间清楚地分成两个气流(在具有控制阀的空气入口上的流量计，在再生气体中具有同样的流量计)，因而产生额外的压降。还应该注意，两个单元各自必需设置它自己的操作阀和它自己的再生加热器。从这种情况出发，产生的一个问题是如何为净化气体流提供简化的和改善的方法，净化气体流的目的是从中去除水和二氧化碳。本发明的一个解决方案是一种用于净化原料气体流的方法，该原料气体流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)、以及所谓的次级杂质，在该方法中
a)将原料气体流引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该径向吸附塔包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层，H2O被优先吸附于该床层上；b)将从步骤a)得到的气体引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该径向吸附塔包含作为单吸附床层的分子筛床层，CO2和次级杂质被优先吸附于该分子筛床层上；和c)重新收取从步骤b)得到的富含主要成分的气体，该气体能够经受低温蒸馏。术语“次级杂质”应理解为意指氮氧化合物和碳氢化合物。这里所提出的发明部分是基于省略中间格栅，这意味着每个瓶罐使用单个吸附齐U。在没有中间格栅的情况下，则将吸附塔称为“2格栅”或单床层吸附塔，因此能够实现更简单和成本更低廉的构造，从而能够增加吸附塔的尺寸并因此增加吸附塔所能处理的空气产量，并且还解决了与分子筛床层的厚度均勻性有关的任何问题。根据情况，本发明的方法可以具有一下特征中的一个或多个-步骤b)中的分子筛是X型沸石；-在步骤b)中所应用的吸附塔的尺寸小于或等于步骤a)中所应用的吸附塔的尺寸，二者比率在0.4和1之间；-每个吸附塔都经受压力/温度循环，在步骤a)中所应用的一个或多个吸附塔的循环持续时间是在90分钟和600分钟之间，而在步骤b)中所应用的一个或多个吸附塔的循环持续时间小于或等于在步骤a)中所应用的循环持续时间，二者比率在0. 4和1之间， 优选地在0. 5和0. 8之间；-所处理的原料气体流的小时摩尔流量是在100，OOONmVh和1，000,OOONmVh之间；-在步骤b)中，次级杂质以在30%和100%之间的、优选地在60%和100%之间的
停止系数被停止；-在步骤a)中，应用含有作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层并交替操作的两个2格栅径向吸附塔(亦即，其中一个吸附塔处于再生阶段而另一个吸附塔处于生产阶段，反之亦然)，和/或在步骤b)中，应用含有作为单吸附床层的分子筛床层并交替操作的两个2格栅径向吸附塔；-在步骤a)中，应用N对含有作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层的2格栅径向吸附塔，其中特定的一对吸附塔交替操作，并且所述N对吸附塔并行地遵循相同的压力循环，和/或在步骤b)中，应用N’对含有作为单吸附床层的分子筛床层的2格栅径向吸附塔，其中特定的一对吸附塔交替操作，并且所述N’对吸附塔并行地遵循相同的压力循环， 所述N彡1，N，彡1 ；-所处理的原料气体流的小时摩尔流量是在100，OOONmVh和3，000,OOONmVh之间；-在步骤a)中所应用的吸附塔利用通过第一加热器加热的再生气体定期地再生， 在步骤b)中所应用的吸附塔利用通过第二加热器加热的再生气体定期地再生；-在步骤a)和b)中所应用的吸收塔利用通过单独一个加热器加热的再生气体定期地再生；以及-所述原料气体是空气，所述主要成分是氧。优选地，每个吸附塔的直径为大于4. 5m，可能达到7米。
此外，原料气体流的压力优选地在1巴和35巴绝对压力之间。次级杂质停止系数被定义为进入净化阶段的次级杂质在循环期间被保留在吸附塔中的百分率。根据吸附剂和所述杂质的类型，在循环期间在净化阶段被停止的次级杂质的含量在30%到100%之间。当具有大礼帽(cdneau/top-hat)轮廓的杂质进入吸附床层时，杂质的平均转换时间与床层的吸附能力直接相关联，而大礼帽前锋的变形与动力学、热效应或所述吸附塔中可能存在的分散效应相关联。因此在所述床层中可以区分出三个区域(图幻其中每克吸附剂所吸附的量达到最大的杂质饱和区域3-1)；其中在所述温度和压力条件下所吸附的量小于最大可吸附量的区域3-2)；和其中没有杂质被吸附的第三区域3-3)。区域3-1) 称为饱和区域，而第二区域3-2)称为MTZ (传质区域)。在共同吸附(X)2和次级杂质期间，发生被称为共吸附的竞争吸附效应，其中(X)2由于与吸附剂的静电相互作用的强度以及大大高于次级杂质的分压的(X)2分压(例如，N2O分压约为CO2分压的百分之一，而它们各自与吸附剂的亲和力类似)，所以妨碍次级杂质的吸附。因而在CO2饱和区域3-1)内，所吸附的次级杂质的量最少，而在传质区域3- 中，所吸附的次级杂质的量越大则所吸附的CO2量越低。甚至能观察到，在CO2MTZ中或稍下游处， 由于被前进的(X)2前锋所推进的次级杂质的分压增加，所吸附的次级杂质的量有局部增加。因此，应该理解，循环越短，则CO2饱和区域相对于传质区域越小，这具有增加次级杂质停止系数的效果。此现象在图4中示出，图4表明了如果循环时间减半，则饱和区域和传质区域的相对尺寸将发生怎样的变化。本发明的主题还包括用于净化原料气体流的设备，该原料气体流包含氧(O2)、水 (H2O)和二氧化碳(CO2),所述设备包括至少一个包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层的径向吸附塔，和至少一个包含作为单吸附床层的分子筛床层的径向吸附塔，其特征在于，两个径向吸附塔串联放置。优选地，所述设备包括至少一对包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层并交替操作的径向吸附塔，和至少第二对包含作为单吸附床层的分子筛床层并交替操作的径向吸附塔，其中第一和第二对径向吸附塔串联放置。图2示出本发明的“串联”设备。吸附塔“A”是仅含活性氧化铝或硅胶床层的吸附塔，而吸附塔“ B，，是仅含分子筛床层的吸附塔。在本发明的方法和设备中，应用包含单一吸附剂床层的吸附塔，另外，这些径向吸附塔中的每一个仅包括两个格栅，而不是像用于同样的净化的现有技术的径向吸附塔那样包含三个格栅。这些2格栅吸附塔的高度因此得以增加。作为例子，在6巴压力、30°C下且对于接近6米的直径，用包括两个2格栅吸附塔的单元处理的最大产量约为700，000Nm3/h，为了处理更大的产量，可以选择使用两个并联的单元，每个单元包括两个2格栅吸附塔，换句话说，使用4个吸附塔。在本发明的方法中，可以用两个串联的单元处理850，000Nm3/h，其中每个单元包括两个2格栅吸附塔，换句话说用4个吸附塔。因此，本发明的方法能用同样数量的吸附塔处理所述产量，同时降低了吸附塔的制造成本和提高了次级杂质停止系数。标准的3格栅单元的循环时间由吸附塔的再生时间设定，对于可利用的再生率来说，所述再生时间由吸附塔的热惯性、尤其是由氧化铝上所吸附的水量决定。在本发明的方法中，含活性氧化铝或硅胶床层的吸附塔的循环时间因此接近于包含氧化铝床层和分子筛床层的标准单元的循环时间。包含分子筛床层的吸附塔的循环时间本身可以减少，因为它基本上对应于热惯性。这是由于这里不再有待脱附的水，而仅有(X)2和次级杂质，其需要很少量的能量(与再生氧化铝上的大量水所需的脱附能量相比)。此较短的循环时间使得能够减小吸附塔的尺寸并因此降低它的成本。在使吸附塔尺寸(以及设备的级别)标准化的情况下，CO2停止吸附塔可以是较小尺寸的水停止吸附塔。这种循环减少对于停止次级杂质也是有利的，因为循环时间越短，CO2传质区域相对于饱和区域越长。由于0)2和次级杂质的共吸附在MTZ中竞争较少，因而次级杂质停止系数将提高。当然，随着循环时间的变化，MTZ与饱和区域相比的相对尺寸还在床层的(X)2尺寸中引入了不利的非线性，换句话说，由于吸附动力学，将循环时间减半不会导致所需的吸附剂的体积减半。在本发明的方法中，不再需要有流量控制系统，因为全部空气流都通过串联的吸附塔。应该注意，每个吸附塔或每对吸附塔都设有自己的操作阀和自己的再生加热器。 加热器的尺寸将根据被再生的是氧化铝还是分子筛而不同。从以下原理出发，即，包含单床层的吸附塔的尺寸设定为使得串联的两个吸附塔的压降接近于并联的标准吸附塔(包含两个床层)上所得到的压降(所有分子筛吸附塔的床层的厚度都比较小)，其中两对吸附塔独立再生，则可以预期再生时的压降减小。因此，可以这样设想循环和加热时间使得单个加热器可用于顺序地或同时地再生氧化铝或硅胶和分子筛(但是关于分子筛的持续时间仍比氧化铝的持续时间短)。总之，除了上述的制造成本和简单性方面的优点之外，本发明的方法还具有根据吸附塔提供不同循环时间的优点只含分子筛的吸附塔的循环时间较短，这在次级杂质停止系数方面是有利的。
权利要求
1.一种用于净化原料气体流的方法，该原料气体流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳 (CO2)以及所谓的次级杂质，在该方法中a)将原料气体流引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该吸附塔包含作为单吸附床层的、H2O被优先吸附于其上的活性氧化铝或硅胶床层；b)将从步骤a)得到的气体引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该吸附塔包含作为单吸附床层的、(X)2和次级杂质被优先吸附于其上的分子筛床层；和c)重新收取从步骤b)得到的富含主要成分的气体，该气体能够经受低温蒸馏。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)中的分子筛是X型沸石。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中所应用的吸附塔的尺寸小于或等于在步骤a)中所应用的吸附塔的尺寸，二者比率在0.4-1的范围内。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，每个吸附塔均经受压力/温度循环， 在步骤a)中所应用的吸附塔的循环持续时间是在90分钟和600分钟之间，而在步骤b)中所应用的吸附塔的循环持续时间小于或等于在步骤a)中所应用的循环持续时间，二者的比率是在0.4和1之间。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中应用包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层并交替操作的两个2格栅径向吸附塔，和/或在步骤b)中应用包含作为单吸附床层的分子筛床层并交替操作的两个2格栅径向吸附塔。
6.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中应用包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层的N对2格栅径向吸附塔，其中特定的一对吸附塔交替操作并且所述N对吸附塔并行地遵循相同的压力循环，和/或在步骤b)中应用包含作为单吸附床层的分子筛床层的N’对2格栅径向吸附塔，其中特定的一对吸附塔交替操作并且所述N’ 对吸附塔并行地遵循相同的压力循环，其中N彡1且N’彡1。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所处理的原料气体流的小时摩尔流量是在 100，OOONmVh 和 3, 000，OOONmVh 之间。
8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中所应用的吸附塔定期地利用通过第一加热器加热的再生气体再生，在步骤b)中所应用的吸附塔定期地利用通过第二加热器加热的再生气体再生。
9.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)和b)中所应用的吸附塔定期地利用通过单独一个加热器加热的再生气体再生。
10.如权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述原料气体是空气，所述主要成分是氧。
11.一种用于净化原料气体流的设备，该原料气体流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)、以及所谓的次级杂质(CnHm，氮氧化合物)，所述设备包括至少一个包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层的2格栅径向吸附塔，和至少一个包含作为单吸附床层的分子筛床层的2格栅径向吸附塔，其特征在于，两个径向吸附塔串联放置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一对包含作为单吸附床层的活性氧化铝或硅胶床层并交替操作的2格栅径向吸附塔，和至少第二对包含作为单吸附床层的分子筛床层并交替操作的2格栅径向吸附塔，所述第一和第二对径向吸附塔串联放置。
全文摘要
本发明涉及一种用于净化原料气体流的方法，该原料气体流包括主要成分、水(H2O)和二氧化碳(CO2)以及所谓的次级杂质，该方法包括a)将原料气体流引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该吸附塔包含作为单吸附床层的、H2O被优先吸附于其上的活性氧化铝或硅胶床层；b)将从步骤a)得到的气体引入至少一个2格栅径向吸附塔中，该吸附塔包含作为单吸附床层的、CO2和次级杂质被优先吸附于其上的分子筛床层；和c)重新收取从步骤b)得到的富含主要成分的气体，该气体适合于低温蒸馏。
文档编号B01D53/04GK102215937SQ200980145985
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月6日 优先权日2008年11月18日
发明者B·达维迪安, G·罗德里格斯 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司