变压吸附空气预净化器的制作方法

专利名称：变压吸附空气预净化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体流体的净化。本发明更特别涉及变压吸附空气预净化器，在给料空气进入其低温分离之前用以除去其中杂质。
在给料空气低温分离出它的基本成分，即氮、氧和氩等之前，要求必须除去给料空气中存在的杂质。空气需要除去的基本杂质是水、二氧化碳和碳氢化合物。由于水和二氧化碳的沸点比空气基本成分沸点高得多，它们会在低温空气分离设备内凝聚出来并堵塞热交换通道表面。碳氢化合物如乙炔，如果不从进入低温空气分离厂的给料空气流中除去，就会在低温厂内积累，并当低温厂存在氧时会产生爆炸可能。
已经发现在高压和中等温度条件下存在杂质时，吸附剂材料可以用于吸附水、二氧化碳和碳氢化合物。可以采用变压吸附(PSA)法，以便这种吸附剂材料在高压下从给料空气流选择性吸附杂质，直到吸附剂材料非常接近为这样的杂质所饱和。然后在低压下用无杂质气流清洗吸附剂材料，来解吸吸附剂材料上的杂质。该无杂质气流典型是来自低温厂，基本含有不同量氧和氮的废气流。该吸附/解吸过程吸附期间，吸附剂材料典型地最强烈选择性吸附给料空气中存在的水，给料空气中下一个最强烈选择性吸附的杂质是二氧化碳，给料空气的碳氢化合物杂质与其它杂质相比选择性吸附不强烈。
吸附剂材料吸附给料空气杂质的能力，受相对高温吸附条件的不利影响。在这方面据知，由于给料空气压缩热，和使用来自冷却压缩给料空气的空气冷却塔热交换器的中等温度冷却水，进入PSA空气预净化器的空气温度可以比室温高10-15°F。当压缩空气中存在的水被PSA系统吸附剂材料吸附时，热量产生、释放并传递给给料空气流，使其温度和吸附剂材料周围温度升高。因此，吸附剂材料吸附二氧化碳和碳氢化合物，以及额外量水的能力，受最初吸附水的不利影响。反过来，当水从吸附剂材料解吸时，热量是由低压清洗气流转移，因此，冷却清洗气流并降低其有关从吸附剂材料解吸杂质的效率。
PSA空气预净化器典型采用两个或多个吸附槽，使污染给料空气进入低温空气分离厂的流动可以保持相对稳定。为了弥补吸附剂材料在较高温度条件下吸附容量的这种降低，通常采纳降低的吸附剂操作容量。然而，由于需要更大量的吸附剂材料，并因此增加吸附槽的尺寸，这导致不希望增加的操作成本。这也会导致温度较高的空气进入下游设备，可能带来不良效果。另一种途径，可以利用外部热交换装置，及解吸操作期间离开吸附槽的冷清洗气体，在该槽内用于冷却进入另一个吸附槽的进口给料空气流，然后该另一个吸附槽用于吸附给料空气流的杂质。然而，这种途径也需要附加设备投资，必然增加吸附系统总成本。
从进入低温空气分离厂的给料空气流中除去杂质的其它方法，包括采用变温吸附(TSA)系统，它用温度和压力两者作为驱动力造成杂质的交替吸附和解吸。可逆热交换剂也可用于冷冻水和二氧化碳杂质，使其覆盖在热交换剂表面外。由于低温厂流出将解吸和再气化给料空气杂质，并将其清洗到大气，低温厂热交换剂的交替流入和流出允许连续操作。
这种其它方法，为达到从低温空气分离厂给料空气除去上述杂质的要求，看来同样需要相当高的投资和/或操作费用。因此，该技术领域希望开发一种空气预净化器，可以更经济地除去进入低温空气分离厂的给料空气杂质。也希望同样开发经济的预净化器，用于净化其它气流。
本发明的一个目的是，提供可以经济地除去给料气流中杂质的预净化器。
本发明的另一个目的是，提供一种空气净化器，它可以从进入低温空气分离厂的给料空气中经济地除去杂质。
记住这些和其它目的，下文将详细阐述本发明，其新的特点在所附权利要求中特别指出。
一种整体再生热交换剂，用于同PSA空气或其它气流预净化器结合，能使在PSA法的解吸期间当水从PSA空气或其它气体预净化器吸附剂材料床解吸时所达到的有利冷却效果，在PSA法的吸附期间传递给进入预净化器的污染空气或其它给料气流。
本发明的进一步说明是参照附图进行的，该附图是本发明PSA空气预净化器槽整个内部结构的侧视图。
通过在PSA空气预净化器槽内采用一个整体再生热交换区，来实现本发明目的。该槽结构使空气净化器内，PSA处理吸附-解吸顺序的解吸阶段所发生的冷却被高热容材料储存。然后，如此冷却的高热容材料在随后PSA空气预净化器吸附阶段，可以用于冷却通过PSA空气预净化器槽再生热交换剂区的污染给料空气流。
通过本发明，该槽吸附水、二氧化碳和乙炔的吸附剂材料温度实现全面降低。降低给料空气杂质选择性吸附的温度，增加吸附剂材料的吸附容量。因此，吸附之前冷却进口给料空气流，使PSA空气预净化器中已知用量吸附剂材料的吸附容量增加。将整体再生热交换剂结合到PSA空气预净化器槽中，能够以经济方式实现需要的这种冷却，因为本发明PSA空气预净化器再生热交换区所带来成本上的增量增加是适度的。成本上的这种适度增加包括，(a)由于为适应PSA空气预净化器槽的再生热交换区，吸附槽长度增加造成的吸附槽成本的增量增加，(b)在热交换区采用的多孔再生热交换材料所带来的适度投资和安装费用，(c)由于通过再生热交换区的压降增加，造成少量附加操作费用，和(d)所谓排空损失增加的成本。用于高压下从给料空气吸附杂质的吸附槽，当减压用于从吸附剂材料低压解吸杂质时，通过终止污染空气流过吸附槽，并使槽内空气压力由高吸附压降低到低解吸压，就会引起这种排空损失。使清洗气体通过槽中吸附剂材料床，以便解吸并除去槽中杂质。典型地，在气体是从床给料端排出的逆流降压阶段，通过排放槽中高压空气实现压力降低。吸附槽的这种压力降低和排气，减少了可用于低温分离为其基本成分的给料空气量。空气预净化器再生热交换区的利用，由于额外量的高压给料空气是从空气预净化器槽该区排放，而多少要增加一些排空损失量。尽管成本上的这种适度增加，本发明空气预净化器在本技术领域还是表现出优越的先进性，能够显著提高吸附剂生产率，达到实际商业运营。
降低给料空气杂质进行选择性吸附的温度，增加实施本发明所达到的杂质吸附总量和吸附速率。于是，作为因此获得的增加吸附剂生产率的一个结果，实施本发明可以采用更长的吸附循环时间，使PSA空气净化法变得更有效。更长的循环时间也使排空损失降低，并当一个床正在从其较低解吸压再加压到其较高吸附压时，有利于减小进入低温厂波动给料空气流的破坏效应。本发明优选总循环时间为5-40分钟，可优选约20-25分钟。
就本发明目的而言，PSA空气预净化器槽内，再生热交换剂区通常优选置于其给料端，以便在给料空气进入PSA循环高压吸附期间，紧挨着吸附剂材料之前。在PSA循环低压解吸期间，再生热交换剂区将紧挨着吸附剂材料之后。在典型垂直走向吸附槽中，将整体再生热交换区置于吸附槽底部，即吸附剂材料下面，高压吸附阶段，污染给料空气垂直向上流动，低压清洗或吸附剂床再生阶段，无污染清洗气体垂直向下流动。
当以下特别涉及PSA空气预净化器实施方案，进一步阐述本发明时，将会了解到，本发明可以用于吸附过程受操作温度升高不良影响的其它各种实施方案。这种情况属于要从给料气流除去的杂质具有高吸附热，且存在的量足以造成吸附过程温度明显升高。氢的PSA法是本发明另一个实施方案的例子。这后一实施方案中，大量的水、二氧化碳和碳氢化合物作为杂质存在，要从氢给料气流选择性除去。
如附

图1所示，吸附槽由数字1表示，用于从给料空气选择性吸附杂质的吸附剂材料，作为吸附剂床2置于其中。在所述实施方案中，一部分吸附剂材料，用于选择性吸附污染给料空气中存在的水，即处于吸附剂床2下面的水吸附区3内。再生热交换区4位于吸附剂材料水吸附区部分正下方，两区之间需要有一薄层支撑球5，用于支撑吸附槽1内吸附剂床2和水吸附区3。
导管6连接吸附槽1底部拔头空间7，在PSA循环空气给料进入吸附期间时，用于将污染给料空气引入其中进行处理，且在PSA循环解吸-再生期间，用于排放清洗气体和选择性除去的给料空气杂质。吸附槽1底部的拔头空间7典型用陶瓷球或其它这种材料充填，以减少其中无用空间量。在所述实施方案中，较大球如2英寸球区8位于槽底部，中等大小球如1英寸球层9位于其上，而较小尺寸球如1/2英寸球上层10位于中等层9之上，紧挨着再生热交换区4下面。为了提供通过吸附剂床相当均匀的流动，需要这么做。类似地，在所述实施方案中，导管11在吸附槽最上部与其区12连接，大尺寸球如1或2英寸球置于区12中。拔头空间13与区12活动连接，且用较小尺寸球如1/2英寸球充填，放在紧挨着吸附剂床2上部的球/吸附剂材料隔离筛网14上面。在PSA循环给料空气引入-吸附期间，导管11用于从吸附槽1移出净化给料空气，和在PSA循环解吸-再生期间，用于引入清洗气体到吸附槽。在所述实施方案中，缓冲板15位于拔头空间13内，以便可望避免其中的气体沟流，并保证吸附槽1内，在吸附和解吸操作过程，穿过吸附剂床2的气体流动都能达到相当均匀。
再生热交换区的位置就在吸附区(包括水吸附区)正下方是有利的，因为，吸附和解吸过程，大部分加热和冷却都发生在再生热交换区附近。这方面，水是被吸附剂最强烈吸附的杂质，且给料空气中存在的大部分水在槽较低的水吸附区吸附。于是，当这样吸附的水在该槽PSA循环的下一次解吸-再生期间进行解吸时，冷却效应可以容易地传递给构成整体再生热交换区4的多孔高热容材料。也应看到，当PSA槽流向再次反转，和热污染给料空气再次引入到槽中吸附剂床时，多孔高热容材料所储存的冷冻作用可以容易地传递给进来的空气，然后，空气中的杂质才开始被吸附剂材料吸附。进来空气的冷却对PSA空气预净化器的操作是有利的，因为，整个吸附剂床的操作温度下降。这提高了吸附剂材料的吸附性能。典型充分饱和水(相对湿度100％)的进来给料空气流，在它进入PSA空气预净化器的压力和温度条件下冷却，也可以使进来给料空气流中某些水凝结在构成再生热交换区的材料上。在吸附剂床之前水的凝结，由于必须被吸附的水量减少，水吸附产生的热量就较少，也会降低吸附剂材料操作温度。若凝结水不进入吸附剂床，某些进来水的凝结，将减少仅仅由吸附剂材料必须吸附的总水负载。再生热交换区放在吸附剂床的正下方，减小了凝结水不希望的进入吸附剂床。由于这个特点，凝结水可以靠重力从吸附剂床排出，且只能由污染给料空气流载带进入吸附剂床。然而，据发现，典型水滴直径大于0.0077英寸，不会被污染给料空气流所载带，因为典型给料空气流通过构成再生热交换区的多孔材料后速度相当低。
再生热交换区容量，发现是构成再生热交换区多孔材料物理和热性质的函数。再生热交换区的尺寸取决于被加热或冷却气体的热物理性质，和气体通过再生热交换区的质量速度，以及PSA空气预净化器吸附床操作的循环时间。有关本题PSA空气预净化器再生热交换区的情况是，大小约为吸附区体积20-30％的再生热交换区，通常将提供适当的热储存容量，来储存水吸附循环10-15分钟时间所产生的冷冻作用。因为，再生床交换区尺寸，取决于本发明实际商业实施方案所采用的吸附和解吸循环时间，所以，本发明实际经济实施方案中，本发明整体再生热交换区尺寸，从吸附区体积的约10％到约50％或更多都在本发明范围之内。较长循环时间必然需要较大的再生热交换区，来储存从吸附剂材料解吸水所产生的冷冻作用。然后，当经PSA空气预净化器流向反转时，冷冻作用传递给进来的污染给料空气流，并因此降低进入吸附剂材料的给料空气温度。给料空气流的这种冷却降低了要求吸附剂材料进行操作的温度，因此，提高了吸附剂材料吸附水、二氧化碳和乙炔的容量。降低进口给料空气温度，也降低可供吸附剂材料吸附的水量。吸附剂材料必定要吸附水量的这种减少，由于使水吸附时产生的热量减少，也趋于降低PSA空气预净化器的操作温度。
在一个采用本发明PSA空气预净化器的示范中间工厂操作中，由壁厚3英寸SCH10S管制造的一个槽采用了两个8英尺高的床。热电偶沿垂直放置的槽间隔安置，并在PSA操作循环15分钟吸附和15分钟解吸过程依次测量室温空气、进口、产品、清洗进口和清洗出口的温度。吸附剂床再加压延续约60-70秒。吸附阶段开始后发现，距吸附剂床较低端12英寸高处温度开始立即由88°F上升至95°F，而后下降，直到进入吸附循环6分钟左右达到约83°F最低温度。吸附循环末尾吸附床温度上升到最大约117°F。进入吸附阶段中途吸附剂床温度下降表明，冷冻作用由吸附剂床正上游，即下面的再生热交换区，正在传递给进来的污染给料空气流。正如按PSA法循环性质所预期的，再生热交换区温度由最高约98°F变到最低约68°F。
再生热交换区可以采用任何适合、可大量获得、高热容、惰性和多孔材料，如从Norton公司可大量购得的那种材料。再生热交换区使用的这种材料所要求的特性是高热容、高密度、高热导率、高表面传热系数、流过再生器的低阻力、高破碎强度、不污染(颗粒的或气体的)和低成本。陶瓷球通常便于优选用于再生热交换区，可获得并适合这种用途的其它各种材料是，如管状非活性矾土；高密度天然产出岩石或卵石；或金属型材，即构成多孔材料的天然或烧结颗粒。再生热交换区通常操作温度范围是50°F-130°F，且实施本发明时，很容易调节温度端值(从室温)。
正如以上指出的，当PSA空气顸净化器经历高压吸附阶段时，再生热交换区应当优选位于吸附剂材料的上游，即吸附区的正下方，而当PSA空气预净化器经历低压解吸阶段时，再生热交换区应当优选位于吸附剂材料的下游。要注意，就本发明目的而言，废料流速与给料流速比为大于约0.3和小于0.7，优选大于0.3小于0.5。
使再生热交换区置于垂直走向PSA空气预净化器槽吸附区正下方，附加的好处是能使其中的陶瓷球顺便支持吸附剂材料，而没有不希望的吸附剂材料经陶瓷球多孔基质向下迁移。为此，再生热交换区准圆形陶瓷球直径应该要求达到，吸附区包括其较低的水吸附区部分所使用的，通常准圆形吸附剂材料球直径的约两倍。为了防止不希望的，较小直径吸附剂材料通过较大直径再生热交换区材料迁移的另一种方法是，采用网眼开孔尺寸小于要隔离材料，即吸附剂材料直径的隔离筛网。
任何适合的、可大量获得的吸附剂材料，都可以方便地用于本发明PSA空气预净化器，活性矾土是适宜且通常合乎要求的。这种活性矾土从供应商如LaRoche Chemicals可以大量购得。如同一般已知吸附剂材料，吸附水时表现为放热反应，解吸水时表现为吸热反应，其它类型和尺寸的活性矾土可以用在本发明PSA空气预净化器吸附剂床区，而PSA空气预净化器所提供的整体再生热交换性能的优点，本文作了阐述并提出权利要求。这种吸附剂，根据本发明用于PSA预净化作用时，其最小水负载应该大于3％(水重量/吸附剂重量)，而平均水负载优选大于10％(水重量/吸附剂重量)。这种吸附剂在该PSA预净化作用中，平均水负载可以大于20％(水重量/吸附剂重量)。对于氮或氧，这种吸附剂最小负载也应优选小于1％(吸附物重量/吸附剂重量)。
在如附图所描绘的本发明代表性中间工厂实施方案中，吸附区包括较低的含矾土吸附剂的水吸附区3，其深度为约12英寸，和较高的含矾土吸附区2，主要用于吸附二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物，其深度为约48英寸。位于吸附区2顶部的球/矾土隔离筛网14，支撑着上部头空间13装填的陶瓷球。上部排放空间12用较大尺寸的球装填。在描绘的PSA空气预净化器结构拔头空间13内，缓冲板15置于中间。
在描绘的实例中，水吸附区5的吸附剂颗粒由1/8英寸球的一个薄层支撑。整体再生热交换区4包括1/4英寸高热容球，其深度约18英寸，由槽1下部拔头空间区10中1/2英寸球；区9中1英寸球；和区8中2英寸球支撑。
本发明通过采用上述公开的整体再生热交换区，方便地储存由PSA空气预净化器吸附剂材料解吸杂质的冷却效应，并将该储存冷冻作用传递给通过PSA空气预净化器进入低温空气分离厂的给料空气。较高PSA操作温度的不利作用因此得以减轻，且PSA空气预净化器采用吸附剂材料的生产能力获得明显改善。结果，PSA空气净化器用于低温空气分离厂的实际操作问题方便地得到克服，且PSA空气净化器这种实际商业用途明显增加。
权利要求
1．变压吸附空气预净化器系统，用于在高吸附压下吸附给料空气流中存在的水和其它杂质，以及在低解吸压下解吸水和其它杂质，该系统其吸附槽含有吸附剂材料床，该吸附剂材料基本上由一种吸附剂组成，该吸附剂能够在高吸附压下选择性吸附给料空气流中存在的水和其它杂质，以及在低解吸压下解吸水和其它杂质，且其氮负载小于1％(重量)，该吸附槽有一个给料端用于将给料空气流引入其中，和一个产品端用于从其中回收已净化了的给料空气，其中所述预净化器系统在吸附槽内，位于吸附槽给料端和吸附剂材料层之间，还包含一个整体的再生热交换区，该整体再生热交换区包含高热容材料，它可以在水和其它杂质从吸附剂床解吸过程，储存通过吸附槽给料端的含杂质解吸流体的冷却作用，并将所得到的冷冻作用传递给进入吸附剂材料床的给料空气流，以选择性吸附其中的水和其它杂质，藉此，使进来给料空气流和吸附剂材料床的温度下降。
2．权利要求1的系统，其中吸附槽是垂直走向的槽，整体再生热交换区位于吸附槽内吸附剂材料层下面。
3．权利要求1的系统，其中吸附剂材料床包含一个水吸附区，用于选择性吸附吸附槽给料端附近给料空气流存在的大部分水，和包含一个吸附区，用于除去吸附槽产品端附近残余水和其它杂质。
4．权利要求1的系统，其中整体再生热交换区内高热容材料包含陶瓷球。
5．权利要求1的系统，其中包括吸附槽给料端的导管器件，用于将给料空气流导入吸附槽，和用于从吸附槽排放解吸杂质和清洗气体，和吸附槽产品端的导管器件，用于从吸附槽移出净化空气，并向其引入清洗气体，以便从吸附剂材料床解吸杂质。
6．变压吸附空气净化法，该方法包括a)使含有水和其它杂质的给料空气流通过一个系统，其吸附槽含有氮负载低于1％的吸附剂材料床，它在高吸附压下选择性吸附给料空气流中存在的水和其它杂质，并在低解吸压下解吸水和其它杂质，吸附槽有一个给料端用于将给料空气流引入其中，和一个产品端用于回收其中净化了的空气，且吸附槽内还包含一个位于吸附槽给料端和吸附剂材料床之间的整体再生热交换区，该整体再生热交换区包含高热容材料，在杂质从吸附剂材料床解吸过程，它可以储存通过吸附槽给料端的含杂质解吸流体的冷却作用，并将所得到的冷冻作用传递给进入吸附剂材料床的给料空气流，以选择性吸附其中的水和其它杂质，藉此，含水和其它杂质的给料空气流和吸附剂材料床的温度下降。b)将净化了的空气送入低温空气分离厂，用于分离和回收氧、氮和氩，其中阶段“a”持续时间约5-约40分钟。
7．权利要求6的方法，其中吸附槽是垂直走向槽，整体再生热交换区位于吸附槽内吸附剂材料床下面。
8．权利要求6的方法，其中吸附剂材料床包含一个水吸附区，用于选择性吸附吸附槽给料端附近给料气流存在的大部分水，和一个吸附区，用于除去吸附槽产品端附近残余水和其它杂质。
9．权利要求6的方法，其中整体再生热交换区内的高热容材料包含陶瓷球。
10．权利要求6的方法，其中包括吸附槽给料端的导管器件，用于将给料气流通入吸附槽，并用于从吸附槽排放解吸杂质和清洗气体，和吸附槽产品端的导管器件，用于从吸附槽移出净化空气并向其引入清洗气体，以便从吸附剂材料床解吸杂质。
全文摘要
一种变压吸附空气预净化器,用于从给料气流,如从进入低温空气分离厂的给料空气流中,除去水、二氧化碳和碳氢化合物。通过结合作为空气预净化器一个整体部件的再生热交换剂,来储存和传递水解吸的冷却效应,以便冷却进入空气预净化器内吸附剂材料的进来给料空气流。吸附剂材料的生产能力因此获得提高。
文档编号B01D53/047GK1223166SQ9812554
公开日1999年7月21日 申请日期1998年12月14日 优先权日1998年12月14日
发明者H·R·绍布, F·W·勒维特 申请人:普拉塞尔技术有限公司