一种均衡层叠吸附器及应用该吸附器的气体吸附分离装置的制作方法

本实用新型涉及一种固定床气体吸附分离装置。

背景技术：

应用固定床气体吸附分离装置对混合气体进行分离时，在其他工作条件已经确定的前提下，保证气体分离效果的技术参数是混合气体通过吸附剂的空速。空速是吸附分离技术领域借用化学领域催化剂在催化反应效率上的一个指标，指单位时间内通过单位量(体积或质量)吸附剂的混合气体的量(相应为体积或质量)。

空速有两种表示方法：

体积空速＝原料体积流量(20℃，m³·h^-1)/催化剂体积(m³)

(1)

sv---体积空速，h^-1；

v0---原料体积流量，20℃，m³·h^-1；

v---催化剂体积，m³。

质量空速＝原料质量流量(kg·h^-1)/催化剂质量(kg)

在实际应用中，在满足一定空速的前提下，吸附床的空气阻力可以用欧根(ergun)公式近似计算：

(2)

(3)

δp---压力降；

dp---吸附剂颗粒直径，m；

ε---床层孔隙率，％；

ρv---气体密度，kg/m³；

μv---气体粘度，pa·s；

z---床层高度，m；

gs---单位截面积气体质量流速，kg/m²·s；

对确定的吸附床和气体介质，dp、ε、ρv、μv均为恒量，公式(3)可以简化为：

令

(4)

其中α、β、z、gs均为正数。

为保证吸附效果，空速sv为受限制的特定值，由式(1)可以推导，

(5)

gv---单位截面积气体体积流速，m/s，(m³/m²·s)

γ---gs-gv转换系数，正数

s＝吸附床的截面积

令正数恒量

式(4)可以转换为

(6)

δp为z的3次函数，就是说，在吸附床的吸附剂、处理气体介质确定，确保吸附床吸附效果的前提下，单位时间内处理的气体的量为吸附床吸附剂的体积确定的倍数，吸附床的压力降随床层厚度的减小非常显著低地降低。

但是在具体应用中，意味着薄而面积巨大吸附床具有显著风阻参数优势，但是吸附床的占地面积巨大对具体实施方案存在巨大的挑战。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种层叠式气体吸附器及应用该吸附器的废气净化装置，解决了吸附床占地面积大、气体通过吸附床时的气流分配不均匀等技术问题。

这种种气体吸附器，包括多个上下层叠的独立的吸附单元，每个吸附单元包括吸附体床体、上气体通道和下气体通道，上气体通道和下气体通道统称单元气体通道。所有上气体通道汇聚到上气体总管，所有下气体通道汇聚到下气体总管，上气体总管和下气体总管统称为吸附器总管。在每个吸附单元的单元气体通道中的至少一处设置气流分配平衡装置，即气流分配平衡装置可以设置在上气体通道或下气体通道。根据具体应用，气流分配平衡装置可以采用固定或可调、自动或手动的节流装置，如节流阀或节流挡片。这种气体吸附器称为均衡层叠吸附器。

这些吸附单元在空间上呈层叠状态，但在应用效果上，相当于并列而分立的多个吸附床，来自总输入管路(如上气体总管)的气体需要通过不同长度及形态的分配及输送管道分别输送到各吸附单元的吸附床，并通过相似情形的汇集管道汇集到总输出管(如下气体总管)。当吸附床的厚度较大且气体流速较快时，气流通过不同层的吸附床时产生的气压降相对于分配及输送管路产生的气压降，后者的十分有限，因此各吸附单元之间的气流分配的不均匀性可以忽略。但是，设置多层吸附器目的就是减小床层厚度，减小气流通过吸附床时产生的气压降，当床层厚度减小到一定程度，各吸附单元之间的气流分配的不均匀性就成为一个制约因素。

在吸附分离过程中吸附气体的流量或风速通常显著大于脱附气体，因此在吸附床脱附再生时，各吸附单元之间的气流分配的不均匀性问题尤其显著。

这种气流分配的不均匀性可以通过在各吸附单元的单元气体通道上设置气流分配平衡装置进行控制得到解决。针对吸附气体和脱附气体的流量的不同，单元气体通道中设置的气流分配平衡装置在吸附和脱附状态的气流分配平衡参数是不同的。为了弥补不同的吸附单元的在某种气体流量下产生的风阻差异，而利用产生不同风阻的节流装置补偿上述风阻差异。整个吸附器各个吸附单元节流装置风阻参数的整体构成所谓的平衡参数。

对这种均衡层叠吸附器的具体应用技术方案可以在每个吸附单元的单元气体通道中设置可以针对不同气体流量的气流分配平衡的在线动态调节自动气流分配平衡装置。

设置了在线动态自动调节气流分配平衡装置的均衡层叠吸附器单独使用，其功能与现有的普通固定床吸附相似，惟其风阻可以显著下降。

通过对气流分配平衡装置和其他配套装置的改进前述均衡层叠吸附器可以实现更佳的功能。每个均衡层叠吸附器设置包含了所有上气体通道的上集束接口，和包含了所有下气体通道的下集束接口。集束接口将每个单元气体通道分成靠近吸附床体的近端通道和远离吸附床体的远端通道。均衡层叠吸附器位于两个集束接口之间的部分称为吸附器主体。根据远端通道的两种设置：一种仅在两个近端通道中其中一个设置针对大流量气流分配平衡的气流分配平衡装置，称为吸附气流分配平衡装置，这种均衡层叠吸附器的配置称为吸附配置。另一种还在两个远端通道中其中一个设置针对小流量气流分配平衡的气流分配平衡装置，称为脱附气流分配平衡装置，这种均衡层叠吸附器的配置称为脱附配置。应用时均衡层叠吸附器主体部分在机械装置驱动下籍由集束接口的切换使得均衡层叠吸附器能够在两种配置之间转换。由两种气流均衡配置共同组成的气流均衡系统称为二元气流均衡装置。

配置了上述二元气流均衡装置的均衡层叠吸附器的应用于气体吸附分离装置或废气净化装置时，需要设置至少两个(含)包括吸附配置和再生配置的均衡层叠吸附器，这些吸附器被分成吸附组和再生组两个编组，均衡层叠吸附器能够在机械装置驱动下通过集束接口的切换在两个编组之间转移。

吸附气体通过吸附组吸附器时吸附质成分被吸附剂捕获，与非吸附质成分完成分离。达到一定饱和程度的气体吸附器被切换至再生组，脱附气体通过脱附组吸附器时使的吸附质与吸附剂分离并将吸附质携出，完成吸附器内吸附剂的再生。

吸附气体通过吸附组均衡层叠吸附器时，吸附气流分配平衡装置发挥效能，使得各吸附单元之间的气流保持均衡。脱附气体通过脱附组均衡层叠吸附器时，吸附配置在气流较小时不会产生节流效能，而脱附气流分配平衡装置发挥效能，使得各吸附单元之间的气流保持均衡。这样，针对大、小流量气流分配平衡的两种气流均衡装置在气体吸附分离装置针对具体的运行参数完成调试以后，在运行中无需调整，可以简化自动控制系统，减少了设备的故障点，改善设备运行的可靠性。

针对上述气体吸附分离装置的均衡层叠吸附器数目以及它们在吸附组和再生组之间转移方式进行改进，具体方案是所有均衡层叠吸附器主体依序设置在一个能够绕固定轴转动旋转体上，而连通这些均衡层叠吸附器主体的管道和外围装置设置固定的地面上，利用旋转体的运动完成均衡层叠吸附器主体在吸附组和再生组之间的切换转移。工作时吸附气体依次通过吸附组的每个均衡层叠吸附器，脱附气体依次通过再生组的每个均衡层叠吸附器。该技术方案可以使得废气净化装置能够兼顾高浓缩比和低的排放浓度。所述的外围装置包括除吸附器以外，气体吸附分离装置所需要配置的如吸附/脱附气体源、气泵、气体加热装置等所有必要装置。

针对气体吸附分离装置适用吸附机制及应用范围的改进，其一是分离原理为变温吸附，所述的再生组又分为脱附序列和热再生序列，脱附序列和热再生序列均设置一个(含)以上均衡层叠吸附器，工作时脱附气体依次通过热再生序列和脱附序列的每一个均衡层叠吸附器。该技术方案可以提高气体吸附分离装置在脱附再生过程中热利用效率。

其二是分离原理为变温变压吸附，所述的吸附组与变温吸附相同，所述的再生组又分为升温脱附序列和减压脱附序列，升温脱附序列和减压脱附序列均设置一个(含)以上均衡层叠吸附器，脱附气体循环通过升温脱附序列并溢出携带吸附质的脱附气体，负压脱附气体依次通过减压脱附序列的每一个均衡层叠吸附器，携带减压脱附溢出的吸附质和余热离开减压脱附序列。该技术方案可以最大限度地提高脱附气体中吸附质的浓度，进一步提高吸附浓缩比例，并可回收利用吸附质。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1.均衡层叠吸附器，带自动气流分配平衡装置，示意图。

图2.设置了二元气流均衡装置的均衡层叠吸附器，吸附配置，示意图。

图3.设置了二元气流均衡装置的均衡层叠吸附器，脱附配置，吸附气流分配平衡装置在上方，示意图。

图4.设置了二元气流均衡装置的均衡层叠吸附器，脱附配置，吸附气流分配平衡装置在下方，示意图。

图5.示意图，应用单个均衡层叠吸附器的气体废气净化装置。

图6.示意图，设置两个均衡层叠吸附器的气体废气净化装置，均衡层叠吸附器主体在机械装置驱动下通过集束接口的切换在吸附组和再生组之间切换。

图7.示意图，旋转切换式变温吸附废气净化装置。、

图8.示意图，旋转切换式变温变压吸附废气分离回收装置，使用惰性脱附气源。

图9.示意图，旋转切换式变温变压吸附废气分离回收装置，使用空气脱附气源。

具体实施方式

实施例1

均衡层叠吸附器，带自动气流分配平衡装置，参见附图1.

包括5个上下层叠的独立的吸附单元1，每个吸附单元包括吸附体床体11、上气体通道121和下气体通道122，上气体通道和下气体通道统称单元气体通道12。所有上气体通道汇聚到上气体总管21，所有下气体通道汇聚到下气体总管22，上气体总管和下气体总管统称为吸附器总管2。在每个吸附单元的上气体通道121上设置配置了调整控制器31的自动气流分配平衡装置3。

当这种吸附器应用在变温吸附工艺上，常温吸附气体从下向上通过吸附床体11，高温脱附气体从上向下通过11。吸附过程中，气流分配平衡装置运行大气流分配平衡参数。脱附过程中，气流分配平衡装置运行小气流分配平衡参数。

实施例2

均衡层叠吸附器，带二元气流分配平衡装置，参见附图2-4。

在实施例1的基础上，每个均衡层叠吸附器设置了包含了所有上气体通道的上集束接口41，和包含了所有下气体通道的下集束接口42。集束接口4将每个单元气体通道分成靠近吸附床体11的近端通道123和远离吸附床体的远端通道124。均衡层叠吸附器位于两个集束接口4之间的部分称为吸附器主体d0。气流分配平衡装置根据远端通道的设置不同有两种配置：一种仅在其中一个近端通道设置针对大流量气流分配平衡的气流分配平衡装置32，称为吸附配置，如图2；另一种还在其中一个远端通道设置针对小流量气流分配平衡的气流分配平衡装置33，称为脱附配置，如图3。应用时均衡层叠吸附器主体d0部分在机械装置驱动下籍由集束接口的切换能够在两种配置之间转换。

通常针对小流量气流分配平衡的气流分配平衡装置33设置在均衡层叠吸附器的上端的气体通道上，如图附2。针对大流量气流分配平衡的气流分配平衡装置32可以设置在均衡层叠吸附器的上方的气体通道上，如附图3，或下方的气体通道上，如附图4。

实施例3

设置了在线动态自动调节气流分配平衡装置的单个均衡层叠吸附器的废气净化装置，参见附图1、5。

图中技术方案在设置了在线动态自动调节气流分配平衡装置31的单个均衡层叠吸附器d的基础上配置了支持吸附分离装置运行的其他外围装置，包括废气源wg，废气泵62、下三通阀63、废气热解装置t0、脱附气体供应装置64、脱附气泵65、脱附气体加热装置66、上三通阀67和废气排放烟囱68。

该装置工作时吸附净化作业和脱附再生作业交替进行。吸附净化作业时来自废气源wg的废气经非气泵62和下三通阀63进入均衡层叠吸附器d，经上三通阀67进入废气排放烟囱68。脱附再生作业时来自脱附气源64的脱附气体经脱附气泵65和加热装置66，通过上三通阀67进入均衡层叠吸附器d，携带脱附溢出的污染物，经下三通阀63进入废气热解装置to，经热解处理后送往废气排放烟囱68。在线动态调节自动气流分配平衡装置在均衡层叠吸附器d在吸附净化作业和脱附再生作业运行不同的气流分配平衡参数。

实施例4

设置了两个均衡层叠吸附器的废气净化装置，配置了二元气流均衡装置，参见附图6。

设置两个均衡层叠吸附器d工位，包括吸附配置的d1工位和再生配置的d2工位。均衡层叠吸附器主体d0能够在机械装置驱动下通过集束接口的切换在两种配置之间转移。外围装置包括废气源wg，废气泵62、废气热解装置to、脱附气体供应装置64、脱附气泵65、脱附气体加热装置66、和废气排放烟囱68。这里编号d1、d2也用于指代位于相应工位的均衡层叠吸附器(下同)。

该装置工作时吸附净化作业和脱附再生作业同时进行。来自废气源wg的废气经废气泵62和集束接口421进入均衡层叠吸附器d1吸附净化，然后经集束接口411进入废气排放烟囱68。同时来自脱附气源64的脱附气体经脱附气泵65和加热装置66，通过集束接口412进入均衡层叠吸附器d2，携带脱附溢出的污染物，经集束接口422进入废气热解装置to，经热解处理后送往废气排放烟囱68。经过一定时间，均衡层叠吸附器d1趋于饱和穿透，均衡层叠吸附器d2完成脱附再生，两个均衡层叠吸附器主体d0交换位置，废气净化装置进入下一个运行周期。

在作业过程中，二元气流均衡装置在均衡层叠吸附器d1、d2的吸附净化作业和脱附再生作业交替运行过程中运行设备安装调试过程中设定好的固定气流分配平衡参数。

实施例5

旋转切换式变温吸附废气净化装置，参见附图7。

在实施例4的废气净化装置的基础上，对均衡层叠吸附器数目以及均衡层叠吸附器主体d0在吸附组和再生组之间转移方式进行改进。

所有均衡层叠吸附器主体d0依序设置在一个能够绕固定轴转动旋转体7上，而连通这些均衡层叠吸附器主体的管道71及其他配套装置设置在固定的地面上，利用旋转体7的转动完成均衡层叠吸附器主体d0在吸附组和再生组之间的切换转移。图中的两个虚线圆，外圆721示意均衡层叠吸附器上方，内圆722示意均衡层叠吸附器下方，弧形箭头指示旋转体7的旋转方向。

工作时来自废气源wg的废气自下向上依次通过吸附组的均衡层叠吸附器d1、d2、d3经烟囱68排空。来自脱附气源64的脱附气体依次通过再生组的热回收均衡层叠吸附器d4、加热装置66、脱附均衡层叠吸附器d5、d6，经废气热解装置to处理后进入烟囱68排空。

在废气净化装置的持续工作状态下，经过一定时间的运行，均衡层叠吸附器d1吸附废气内的吸附质达到饱和，同时热回收均衡层叠吸附器d4的冷却和脱附均衡层叠吸附器d6的脱附同步完成，旋转体7旋转60°角，相应的脱附均衡层叠吸附器主体d0完成在编组或功能序列之间的转移切换，整个装置进入下一个运行周期。

实施例6

旋转切换式变温变压吸附废气分离回收装置，参见附图8-9。

在实施例5的废气净化装置的基础上，废气分离回收装置的工艺原理由变温吸附改为变温变压吸附。

所述的吸附组设置三个均衡层叠吸附器工位d1、d2、d3，配置与变温吸附相同，所述的再生组又分为升温脱附序列和减压脱附序列，均衡层叠吸附器d0主体在各组或序列之间移动切换的方式与实施例5相同。

升温脱附序列设置一个均衡层叠吸附器工位d6，减压脱附序列均设置两个均衡层叠吸附器工位d4、d5。

工作时来自废气源wg的废气自下向上依次通过吸附组的均衡层叠吸附器d1、d2、d3经烟囱68排空。来自脱附气源641的惰性脱附气体循环通过脱附气泵65进入均衡层叠吸附器d6，并将置换出的空气排入最终并入废气源管路的残余脱附气管路82，待均衡层叠吸附器d6及升温脱附序列脱附管路81内的空气置换完成，关闭脱附气源641。气体加热装置66开始对脱附气体循环解热，直至均衡层叠吸附器d6内的吸附剂达到预设的脱附温度.加热过程中携带吸附质的脱附气体受控制地经减压装置83向减压脱附管路84泄出。来自脱附气源642(也可以是641，图中未画出)的惰性脱附气体依次通过减压脱附序列的两个均衡层叠吸附器d4、d5，携带减压脱附溢出的吸附质与来自升温脱附序列脱附管路的脱附气体汇合，经气体压缩机85和冷凝分离装置86，残余气体进入废气源管路。由冷凝分离装置86分离出的液体吸附质，注入储液罐87储存。如果冷凝分离足够彻底，冷凝分离装置86排出的惰性气体也可以回到脱附气源循环利用(图中未画出)。

如果废气中的吸附质足够稳定并易于脱附，也可以采用空气作为脱附气体，则废气分离回收装置可以简化成附图9所示结构，脱附过程中省去惰性气体置换过程。

该技术方案可以最大限度地提高脱附气体中吸附质的浓度，进一步提高吸附浓缩比例，减少压缩冷凝分离的工作量，并回收利用吸附质。