專利名稱：空氣凈化的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體凈化單元。本發(fā)明特別用于低溫空氣分離系統(tǒng)上游的空氣凈化。典型地，將本發(fā)明與吸附過程聯(lián)合使用，例如變溫吸附過程(“TSA”)或變壓吸附過程(“PSA”)。
在使進(jìn)料氣體經(jīng)歷下游處理時(shí)，可能常常期望或需要在這種處理之前從進(jìn)料氣體去除某些組分。例如，當(dāng)要在較低溫度例如低溫過程中處理該混合物時(shí)，必須除去可能存在于進(jìn)料氣體如空氣中的高沸點(diǎn)物質(zhì)如水和二氧化碳。如果不除去沸點(diǎn)較高物質(zhì)，它們可能在隨后的處理中液化或固化，在下游過程中引起壓降、流動(dòng)困難或其它缺陷。危險(xiǎn)的例如爆炸性物質(zhì)應(yīng)當(dāng)在進(jìn)一步處理進(jìn)料氣體之前除去，從而降低在后序過程中聚集并由此引起危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。烴類氣體例如乙炔可能引起這種危險(xiǎn)。
在空氣分離過程中，通常用主空氣壓縮機(jī)(“MAC”)將空氣壓縮，將所得壓縮空氣冷卻并供給分離器，在此將冷凝水除去。可以將該壓縮空氣進(jìn)一步冷卻，例如用冷凍的乙二醇。在這個(gè)步驟中通過冷凝和分離冷凝物除去大部分水。然后通常將所得基本上無水的空氣供給吸附過程，在此通過吸附除去要從空氣中除去的組分，然后供給空氣分離單元。在空氣處理中，通常通過在將空氣供給下游分離過程之前使該空氣穿過優(yōu)先吸附水和二氧化碳的單一吸附層或獨(dú)立的吸附層，而先將水后將二氧化碳除去。
已知幾種方法用于通過在固體吸附劑上吸附而從原料氣除去不期望的組分，包括TSA和PSA方法。在這類方法中，通常采用并聯(lián)排布的兩層(或多層)吸附劑床，當(dāng)一層附劑床處于再生而“離線”時(shí)，其它或另一床層運(yùn)轉(zhuǎn)用于吸附。然后在運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)周期性地改變床層的角色。吸附床在吸附步驟期間稱為“在線”。
在TSA方法中，吸附步驟生成吸附熱，經(jīng)吸附床給下游進(jìn)程造成熱脈沖。允許該熱脈沖在進(jìn)料或在線期間行進(jìn)超出吸附劑床層的下游端。吸附后，從吸附劑床層關(guān)閉原料氣流，然后將床層減壓。然后將吸附劑暴露于熱再生氣流，通常是來自下游過程的廢物流或其它氣體，該步驟將吸附的物質(zhì)從吸附劑剝除，如此將其再生用于進(jìn)一步使用。再生通常以與吸附步驟逆流的方向進(jìn)行。然后將床層再加壓就緒以重復(fù)吸附步驟。
PSA系統(tǒng)通常包含一種循環(huán)，其中床層在線、然后減壓、再生然后在返回在線之前再加壓。減壓包括釋放加壓氣體并生成通常稱之為“轉(zhuǎn)換損失”的消耗。在PSA系統(tǒng)中，再生氣體的壓力低于原料氣。正是這種壓力的變化被用于從吸附劑除去所吸附的組分。然而，與TSA系統(tǒng)中所采用的例如2-20小時(shí)相比，該系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間通常較短，例如15-30分鐘。
通常經(jīng)由包含管線和流量控制閥的進(jìn)口管道構(gòu)件將待凈化的氣體供給氣體凈化單元，例如含有至少一層吸附床的容器。類似地，經(jīng)由包含管線和流量控制閥的出口管道構(gòu)件將已凈化的氣體移出氣體凈化單元。如果進(jìn)口管道構(gòu)件或出口管道構(gòu)件之一的流量控制閥失靈，那么穿過氣體凈化單元的氣體流量將受到限制(如果閥在部分開啟的位置失靈)或阻止(如果閥在關(guān)閉位置失靈)，由此減少或完全停止流過單元的氣體通過量。
必須與單元的容量成比例地設(shè)置進(jìn)出氣體凈化單元的管的流速，以使適宜的氣流流過單元。因而，隨之必然是較大的氣體凈化單元需要直徑比進(jìn)出較小氣體凈化單元的管更大的管。
流量控制閥的尺寸必須適于與其相關(guān)的管的尺寸。常常將蝶閥用于控制流過進(jìn)出氣體凈化單元管的氣流。大的蝶閥，例如金屬圓盤直徑100cm，需要有力的致動(dòng)器來開啟和關(guān)閉閥門。在氣體凈化單元吸附劑床層吸附/脫附循環(huán)期間，該致動(dòng)器不僅必須能夠在開啟和關(guān)閉位置之間移動(dòng)大的金屬圓盤，而且還必須能夠迅速和經(jīng)常地移動(dòng)。例如，在PSA過程中，閥門必須能夠在約1或2秒鐘內(nèi)從全開位置移到關(guān)閉位置。作為軸承、底座或圓盤失靈的結(jié)果，這種有力的致動(dòng)器易于損壞。因而，當(dāng)閥門尺寸增加時(shí)，閥門的耐用性下降。此外，當(dāng)閥門尺寸增加超出特定尺寸時(shí)，閥門的成本不成比例地增加。
因而，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的一個(gè)目標(biāo)是提高閥門的耐用性，該閥門用于控制進(jìn)出氣體凈化單元例如具有至少一層吸附床的容器的氣流。此外，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的另一目標(biāo)是降低與氣體凈化單元相關(guān)的資金和操作成本。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種氣體凈化單元，該單元包含氣體凈化容器和至少一個(gè)進(jìn)口管道構(gòu)件，其用于將原料氣源與氣體凈化容器連接，以及出口管道構(gòu)件，其用于將氣體凈化容器與至少一個(gè)下游氣體處理單元連接，每個(gè)所述進(jìn)口管道構(gòu)件和出口管道構(gòu)件都包含至少兩條并聯(lián)排布的輔助管和一條公共管，每條輔助管與各自的公共管流體連通并具有流量控制閥，該流量控制閥與其它或另一獨(dú)立的輔助管的流量控制閥一致地操作。
進(jìn)口管道構(gòu)件或出口管道構(gòu)件的流量控制閥“一致地”操作，這意味著它們相互關(guān)聯(lián)地操作，從而每個(gè)閥同時(shí)并同相地開啟或關(guān)閉。流量控制閥可以相互直接機(jī)械連接或者可以各自受控。
這種排布的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于如果一個(gè)閥門失靈(如果它在符合常規(guī)操作的至少部分開啟的位置失靈而被迫關(guān)閉)，那么通過凈化單元的總氣體通過量沒有損失，這提高了該單元的操作效率。各個(gè)閥門都同時(shí)失靈的可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)閥門失靈的可能。這樣，提高了單元的耐用性，這與普遍持有的當(dāng)系統(tǒng)中的組件數(shù)目增加時(shí)系統(tǒng)的耐用性下降的理念相反。
具有多個(gè)吸附床層的氣體凈化單元的流量控制閥通常并不被運(yùn)行以提供可變的氣體流量。而是，通常將它們操作為“轉(zhuǎn)換閥”，也就是說它們或者全開或者全關(guān)操作。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，每條輔助管的直徑小于公共管的直徑，并且每個(gè)流量控制閥的流量小于公共管的流量。本領(lǐng)域公知較小的閥本身就比較大的閥更可靠。因而，不僅通過采用兩個(gè)閥提高耐用性，而且在優(yōu)選實(shí)施方式中，通過采用較小的閥進(jìn)一步提高耐用性。此外，與使用較大的閥相比，使用較小的閥大大節(jié)省了資金和操作成本。
輔助管的總橫截面積通常至少等于公共管的橫截面積。對(duì)于給定的氣體凈化容器，這種排布提供進(jìn)出容器體的總氣體流量，該流量至少等于相應(yīng)于采用常規(guī)進(jìn)口或出口管道構(gòu)件的氣體流量。
氣體凈化單元可以包含具有本發(fā)明多閥排布的進(jìn)口管道構(gòu)件或出口管道構(gòu)件。然而，在優(yōu)選實(shí)施方式中，氣體凈化單元同時(shí)包含這種進(jìn)口和出口管道構(gòu)件。
優(yōu)選公共管將輔助管與氣體凈化容器連接。在這種實(shí)施方式中，該單元可以進(jìn)一步包含上游供應(yīng)管，該供應(yīng)管與進(jìn)口管道構(gòu)件的每個(gè)輔助管流體流動(dòng)連通。供應(yīng)管的直徑大約與公共管的直徑相同。附加地或可替換地，該單元可以進(jìn)一步包含下游出口管，該出口管與出口管道構(gòu)件的每個(gè)輔助管流體流動(dòng)連通。出口管的直徑大約與公共管的直徑相同。
上述氣體凈化單元特別適用于空氣凈化。這種空氣凈化單元包含通常包含至少一層吸附劑床的空氣凈化容器，用于從空氣除去例如二氧化碳和/或水的組分。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種氣體凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)并聯(lián)且相互流體流動(dòng)連通的根據(jù)第一方面的氣體凈化單元。這種氣體凈化系統(tǒng)可以用于凈化低溫空氣分離單元上游的空氣。在這些實(shí)施方式中，每個(gè)氣體凈化單元都是空氣凈化單元。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種低溫空氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含根據(jù)第二方面的氣體凈化系統(tǒng)和至少一個(gè)下游低溫空氣分離單元，所述氣體凈化系統(tǒng)與所述低溫空氣分離單元流體流動(dòng)連通。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種凈化用于低溫分離的空氣的方法，該方法包含將空氣供給根據(jù)第一方面的氣體凈化單元；在所述氣體凈化單元中凈化所述空氣，生成凈化空氣；以及將凈化空氣供給至少一個(gè)低溫空氣分離單元，所述方法的特征在于流向氣體凈化單元的原料空氣由一致操作的至少兩個(gè)并聯(lián)流量控制閥控制，和/或從氣體凈化單元流出的凈化空氣由一致操作的至少兩個(gè)并聯(lián)流量控制閥控制。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供根據(jù)第一方面的至少一個(gè)氣體凈化單元在TSA過程中的用途，用于凈化空氣。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供根據(jù)第一方面的至少一個(gè)氣體凈化單元在PSA過程中的用途，用于凈化空氣。
借助實(shí)施例并參照附圖，以下是對(duì)本發(fā)明目前的優(yōu)選實(shí)施方式的描述。附圖中

圖1是本發(fā)明第一方面的第一實(shí)施方式的示意圖，作為包含兩個(gè)并聯(lián)的空氣凈化單元的空氣凈化系統(tǒng)的部分；圖2是圖1中所示實(shí)施方式的示意圖，作為包含三個(gè)并聯(lián)的空氣凈化單元的空氣凈化系統(tǒng)的部分。
參照?qǐng)D1，空氣凈化系統(tǒng)10包含兩個(gè)空氣凈化容器12，14。每個(gè)容器包含至少一層吸附材料(未示出)床，當(dāng)?shù)谝蝗萜?2在線吸附來自空氣的組分時(shí)，第二容器14離線進(jìn)行其吸附劑的再生。再生完成后，兩個(gè)容器的角色顛倒，第一容器12離線再生，第二容器14變成在線吸附。重復(fù)這種循環(huán)以保持連續(xù)凈化過程。
吸附/再生循環(huán)包括將待凈化的空氣經(jīng)由管線16引入系統(tǒng)10。當(dāng)?shù)谝蝗萜?2在線時(shí)，第一和第三對(duì)空氣流量控制閥18，20和22，24開啟，而第二和第四對(duì)空氣流量控制閥26，28和30，32關(guān)閉。將空氣經(jīng)管線16供給第一對(duì)閥18，20。該空氣流被分成兩等份，第一份流過閥18，第二份流過閥20。然后將這兩部分再組合并經(jīng)由管線34供給第一空氣凈化容器12?？諝饬鬟^第一容器12內(nèi)的吸附材料，而水和/或二氧化碳經(jīng)吸附除去。將實(shí)質(zhì)上無二氧化碳的空氣經(jīng)管線36從第一容器移出并分成兩等份。第一份流過閥22，第二份流過閥24。將這兩部分混合，凈化空氣經(jīng)管線38從凈化系統(tǒng)移出。將該凈化空氣供給低溫空氣分離系統(tǒng)(未示出)。
在第一容器12在線期間，通過再生氣流量控制閥44將再生氣經(jīng)管線40供給第二容器14。再生氣流量控制閥42關(guān)閉，將第二容器14中的吸附材料(未示出)再生，并將用過的再生氣經(jīng)由管線46從第二容器14移出。開啟再生氣流量控制閥48，此時(shí)再生氣流量控制閥50處于關(guān)閉，將用過的再生氣經(jīng)由管線52從系統(tǒng)移出。
為了使第一容器12離線而使第二容器14在線，關(guān)閉空氣流量控制閥18，20和22，24并開啟空氣流量控制閥26，28和30，32。關(guān)閉再生氣流量控制閥44，48并開啟再生氣流量控制閥42，50。將減壓管線56用于在容器體進(jìn)入其再生階段之前釋放第一容器12(或第二容器14)中的初始?jí)毫ΑＫ∮谠偕趴障到y(tǒng)，為了得到更為受控的壓力降低速率從而降低破壞吸附材料的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)?shù)诙萜?4在線時(shí)，第一和第三對(duì)空氣流量控制閥18，20和22，24關(guān)閉而第二和第四對(duì)空氣流量控制閥26，28和30，32開啟。將空氣經(jīng)管線16供給第二對(duì)閥26，28。該空氣流被分成兩等份，第一份流過閥26，第二份流過閥28。然后將這兩部分再組合并經(jīng)由管線46供給第二空氣凈化容器14?？諝饬鬟^第二容器14內(nèi)的吸附材料，二氧化碳經(jīng)吸附除去。將實(shí)質(zhì)上無二氧化碳的空氣經(jīng)管線54從第二容器14移出并分成兩等份。第一份流過閥30，第二份流過閥32。將這兩部分混合，凈化空氣經(jīng)管線38從凈化系統(tǒng)移出。將該凈化空氣供給低溫空氣分離系統(tǒng)(未示出)。
在第二容器14在線期間，通過再生氣流量控制閥42將再生氣經(jīng)管線40供給第一容器12。再生氣流量控制閥44關(guān)閉。將第一容器12中的吸附材料(未示出)再生，并將用過的再生氣經(jīng)由管線34從第一容器12移出。開啟再生氣流量控制閥50，此時(shí)再生氣流量控制閥48處于關(guān)閉，將用過的再生氣經(jīng)由管線52從系統(tǒng)移出。
傳統(tǒng)上，進(jìn)出吸附容器的空氣流由單個(gè)流量控制閥控制。然而，在本發(fā)明示例性的實(shí)施方式中，用成對(duì)的并聯(lián)排布的較小流量控制閥替代該單個(gè)閥。每對(duì)中的兩個(gè)閥相互關(guān)聯(lián)地操作，從而它們一致地同時(shí)都開啟或關(guān)閉。如果一個(gè)閥失靈，那么通常將其強(qiáng)制關(guān)閉(如果失靈發(fā)生在該閥處于至少部分開啟的位置)。然而，此對(duì)中的另一個(gè)閥還在運(yùn)轉(zhuǎn)，由此通過吸附容器的空氣流量會(huì)減少但是不會(huì)完全中斷。由此盡管具有較大數(shù)目的組件，凈化系統(tǒng)的耐久性也提高。
參照?qǐng)D2，空氣凈化系統(tǒng)210包含三個(gè)空氣凈化容器212，214，216。每個(gè)容器包含至少一層吸附材料床(未示出)，并且運(yùn)轉(zhuǎn)期間，第一和第二容器212，214在線時(shí)，第三容器216中的吸附材料在被再生。第三容器216中的吸附材料再生完成之后，第三容器216順沿第二容器214變成在線而第一容器212離線再生。當(dāng)?shù)谝蝗萜?12中的吸附材料再生完成后，第一容器212順沿第三容器216變成在線而第二容器214離線再生。當(dāng)?shù)诙萜?14中的吸附材料再生完成后，第二容器214順沿第一容器212變成在線而第三容器216離線再生。重復(fù)這種循環(huán)以保持連續(xù)凈化過程。
將空氣經(jīng)管線217供給凈化系統(tǒng)，將凈化空氣經(jīng)管線242從系統(tǒng)移出。將凈化空氣供給低溫空氣分離單元(未示出)。將再生氣經(jīng)管線244供給系統(tǒng)，而經(jīng)管線246移去用過的再生氣。流量控制閥248，250，252，254，256，258控制穿過凈化系統(tǒng)的再生氣流量，并且以類似于對(duì)圖1所示兩吸附容器系統(tǒng)所述的常規(guī)順序周期性地開啟或關(guān)閉。
第一容器212具有控制進(jìn)入容器體的空氣流量的第一對(duì)空氣流量控制閥218，220和控制離開容器體的空氣流量的第二對(duì)空氣流量控制閥222，224。兩對(duì)流量控制閥226，228和230，232控制通過第二容器214的空氣流量，兩對(duì)流量控制閥234，236和238，240控制通過第三容器216的空氣流量。每對(duì)中的兩個(gè)閥相互關(guān)聯(lián)地操作，從而它們一致地同時(shí)都開啟或關(guān)閉。如果一個(gè)閥失靈(并被強(qiáng)制關(guān)閉，如果失靈發(fā)生在該閥處于至少部分開啟的位置)，通過各自吸附容器的空氣流量會(huì)減少但是不會(huì)完全中斷。由此盡管與常規(guī)三容器凈化系統(tǒng)相比具有較大數(shù)目的組件，該凈化系統(tǒng)作為整體的耐久性提高。
貫穿該說明書全文，在表示執(zhí)行一項(xiàng)功能的行文中術(shù)語“部件”意在指經(jīng)改造和/或構(gòu)造以實(shí)施該功能的至少一種器件。
可以理解本發(fā)明不限于以上參照優(yōu)選實(shí)施方式描述的細(xì)節(jié)，可以進(jìn)行各種改進(jìn)和改變而不偏離本發(fā)明由以下權(quán)利要求限定的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種氣體凈化單元，該單元包含氣體凈化容器和至少一個(gè)進(jìn)口管道構(gòu)件，其用于將原料氣源與氣體凈化容器連接，以及出口管道構(gòu)件，其用于將氣體凈化容器與至少一個(gè)下游氣體處理單元連接，每個(gè)所述進(jìn)口管道構(gòu)件和出口管道構(gòu)件都包含至少兩條并聯(lián)排布的輔助管和一條公共管，每條輔助管與各自的公共管流體連通并具有流量控制閥，該流量控制閥與其它或另一獨(dú)立的輔助管的流量控制閥一致地操作。
2.如權(quán)利要求1中所述的氣體凈化單元，其中每條輔助管的直徑小于公共管的直徑，并且每個(gè)流量控制閥的流量小于公共管的流量。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的氣體凈化單元，其中輔助管的總橫截面積通常至少等于公共管的橫截面積。
4.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的氣體凈化單元，包含進(jìn)口管道構(gòu)件。
5.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的氣體凈化單元，包含出口管道構(gòu)件。
6.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的氣體凈化單元，其中公共管將輔助管與氣體凈化容器連接。
7.如權(quán)利要求6中所述的氣體凈化單元，包含進(jìn)口管道構(gòu)件，所述單元進(jìn)一步包含上游供應(yīng)管，該供應(yīng)管與所述進(jìn)口管道構(gòu)件的每個(gè)輔助管流體流動(dòng)連通，所述供應(yīng)管的直徑大約與公共管的直徑相同。
8.如權(quán)利要求6或7中所述的氣體凈化單元，包含出口管道構(gòu)件，所述單元進(jìn)一步包含下游出口管，該出口管與出口管道構(gòu)件的每個(gè)輔助管流體流動(dòng)連通，所述出口管的直徑大約與公共管的直徑相同。
9.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的氣體凈化單元，其中每個(gè)所述進(jìn)口和出口管道構(gòu)件包含兩條輔助管。
10.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的氣體凈化單元，為空氣凈化單元。
11.一種參照附圖實(shí)質(zhì)上如前述的氣體凈化單元。
12.一種氣體凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)并聯(lián)且相互流體流動(dòng)連通的權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)定義的氣體凈化單元。
13.如權(quán)利要求12中所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中，每個(gè)氣體凈化單元都是空氣凈化單元。
14.一種參照附圖實(shí)質(zhì)上如前述的氣體凈化單元。
15.一種低溫空氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含如權(quán)利要求13中定義的氣體凈化系統(tǒng)和至少一個(gè)下游低溫空氣分離單元，所述氣體凈化系統(tǒng)與所述低溫空氣分離單元流體流動(dòng)連通。
16.一種凈化用于低溫分離的空氣的方法，該方法包含將空氣供給如權(quán)利要求10中定義的氣體凈化單元；在所述氣體凈化單元中凈化所述空氣，生成凈化空氣；以及將凈化空氣供給至少一個(gè)低溫空氣分離單元，所述方法的特征在于流向氣體凈化單元的原料空氣由一致操作的至少兩個(gè)并聯(lián)流量控制閥控制，和/或從氣體凈化單元流出的凈化空氣由一致操作的至少兩個(gè)并聯(lián)流量控制閥控制。
17.如權(quán)利要求10中定義的至少一個(gè)氣體凈化單元在變溫吸附(“TSA”)過程中的用途，用于凈化空氣。
18.如權(quán)利要求10中定義的至少一個(gè)氣體凈化單元在變壓吸附(“PSA”)過程中的用途，用于凈化空氣。
全文摘要
一種氣體凈化單元，該單元包含氣體凈化容器(12)和至少一個(gè)進(jìn)口管道構(gòu)件(18，20，34)，其用于將原料氣源(16)與氣體凈化容器(12)連接，以及出口管道構(gòu)件(36，22，24)，其用于將氣體凈化容器(12)與至少一個(gè)下游氣體處理單元例如低溫空氣分離系統(tǒng)連接。每個(gè)所述進(jìn)口管道構(gòu)件和出口管道構(gòu)件都包含至少兩條并聯(lián)排布的輔助管和一條公共管(34，36)，每條輔助管與各自的公共管(34，36)流體連通并具有流量控制閥(18，20，22，24)，該流量控制閥與其它或另一獨(dú)立的輔助管的流量控制閥(20，18，24，22)一致地操作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一是使用至少兩個(gè)一致地操作的閥門提高單元的耐用性。此外，可以將至少兩個(gè)較小的閥門用于替代單個(gè)較大的閥門，這也提高系統(tǒng)的耐用性，因?yàn)檩^小的閥門本身就比較大的閥門更可靠。
文檔編號(hào)B01D53/74GK1750864SQ200480004396
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者P·西頓 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司