具有減小的空隙容積和均勻的流動分布的吸附容器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了吸附容器和利用吸附容器的系統(tǒng)。在一個實施例中，用于接收流體混合物以及從該流體混合物中分離出成分的吸附容器包括從底端延伸到頂端并且限定出容器腔室的容器壁。在吸附容器的底端中形成有用于將流體混合物引入到容器腔室的底部入口。此外，支承板定位在容器腔室中位于底端上方，并且限定出在支承板與底端之間的底部空隙容積?？偪紫堵市∮?5％的填充材料定位在底部空隙容積中，并且限定出用于使流體混合物從底部入口流動到支承板的通道。
【專利說明】具有減小的空隙容積和均勻的流動分布的吸附容器
[0001]在先國家申請的優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請要求于2011年12月19日提交的美國申請N0.13/330, 448的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及變壓吸附(PSA)系統(tǒng)和容器，更具體地涉及在處理期間具有減小的空隙容積和均勻的流動分布的PSA容器。
【背景技術(shù)】
[0004]變壓吸附過程可以選擇性地從氣體混合物中分離出可吸附的成分，例如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨、硫化氫、氬、氮和水。通常，這些成分中的一種或多種成分被吸附用以凈化例如氫氣的流體流。典型地，PSA工藝使用吸附器，該吸附器包括環(huán)繞著由吸附劑顆粒形成的吸附床的容器。一般而言，吸附容器中的空隙容積包括多孔吸附劑顆粒內(nèi)的容積、顆粒之間的容積以及由容器的壁和吸附床限定出的內(nèi)部容積。
[0005]這些空隙容積會降低PSA工藝的效率。具體地，空隙容積可引起諸如氫的回收產(chǎn)品的損失。盡管可將吸附劑放置在空隙容積中用以減小空隙容積，但這種解決方案是非期望的，因為其不利地影響了通過吸附床的氣體流動分布和壓降。為了加強處理性能，氣體在容器中的分布是均勻的。然而，將吸附劑放置在空隙容積中會導(dǎo)致通常不期望的不均勻性。通常，期望在不增加通過吸附劑的壓降和流動不均勻性的情況下使容器中的空隙容積最小化。
[0006]因此，期望提供具有減小的空隙容積的吸附容器。此外，期望提供在分離處理期間展示出減小的壓降的吸附容器。此外，其它期望的特征和特點將通過以下結(jié)合附圖和前面的【技術(shù)領(lǐng)域】及【背景技術(shù)】進(jìn)行的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了具有減小的空隙容積和均勻的流動分布的吸附容器。在示例性實施例中，提供用于接收流體混合物以及從該流體混合物中分離出成分的吸附容器。該吸附容器包括從底端延伸到頂端的容器壁。該容器壁限定出容器腔室。在容器的底端中形成有用于將所述流體混合物引入到容器腔室中的底部入口。支承板定位在容器腔室中位于底端上方，并且限定出在該支承板與底端之間的底部空隙容積。此外，總孔隙率小于25%的填充材料定位在所述底部空隙容積中，并且限定出用于使所述流體混合物從底部入口流動到支承板的通道。
[0008]根據(jù)另一示例性實施例，吸附容器形成有用于接收流體混合物以及從該流體混合物中分離出成分的容器腔室。該容器包括穿孔的支承板，該穿孔支承板定位在容器腔室中并且限定出位于穿孔支承板上方的吸附區(qū)和位于穿孔支承板下方的入口區(qū)。在容器中形成有用于將流體混合物引入到入口區(qū)中的底部入口。此外,總孔隙率小于25%的填充材料定位在入口區(qū)中，并且限定出用于使流體混合物從底部入口流動到穿孔支承板的通道。所述填充材料填充超過50 %的入口區(qū)。
[0009]根據(jù)另一示例性實施例，提供用于從流體混合物中分離出成分的吸附系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個容器，該至少一個容器具有從底端延伸到頂端并限定出容器腔室的容器壁。在容器的底端中形成有用于將流體混合物引入到容器腔室中的底部入口。底部入口限定出軸線。吸附容器包括定位在容器腔室中位于底端上方的支承板。該支承板限定出在該支承板與底端之間的底部空隙容積。此外，吸附材料床定位在容器腔室中位于所述支承板上方用以選擇性地吸附流體混合物的成分。另外，在底端上安裝有環(huán)繞軸線的內(nèi)支承環(huán)形件，且在底端上安裝有環(huán)繞內(nèi)支承環(huán)形件的外支承環(huán)形件。該容器包括總孔隙率小于25%的填充材料，所述填充材料定位在底部空隙容積中介于內(nèi)支承環(huán)形件與外支承環(huán)形件之間。該填充材料限定出用于使流體混合物從底部入口流動到支承板的通道。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下文將結(jié)合以下附圖描述吸附容器，附圖中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的元件，其中:
[0011]圖1是包括根據(jù)示例性實施例的吸附容器的處理系統(tǒng)的示意圖；以及
[0012]圖2是根據(jù)示例性示例的圖1的吸附容器的側(cè)視截面圖。
【具體實施方式】
[0013]以下詳細(xì)描述在性質(zhì)上僅僅是示例性的，并不用于限制吸附系統(tǒng)或吸附容器或應(yīng)用以及吸附系統(tǒng)或吸附容器的用途。此外，無意受在前面的【背景技術(shù)】或下文的詳細(xì)描述中提出的任何理論約束。
[0014]本申請中設(shè)想的多個實施例涉及具有減小的空隙容積、展現(xiàn)出減小的壓降并且提供均勻的流動分布的吸附容器和系統(tǒng)。此外，吸附容器和系統(tǒng)能夠?qū)⒀h(huán)時間減少30%到50%。本申請中的吸附容器利用填充材料來減小空隙容積，從而改善PSA工藝中的工藝/處理性能。填充材料的總孔隙率小于25%，例如小于20%、小于15%或小于10%。如本申請中所用，“總孔隙率”用來衡量空隙容積占填充材料的總體積的百分比，所述空隙容積包括材料顆粒內(nèi)的材料內(nèi)空隙容積以及材料顆粒之間的材料內(nèi)空隙容積。填充材料的總體積包括固體成分和空隙成分。
[0015]PSA技術(shù)基于吸附劑隨著氣體壓力升高和降低而選擇性地吸附和解吸特定氣體的能力。由于選擇性的吸附，所以可從期望的產(chǎn)品氣體中去除雜質(zhì)。在PSA系統(tǒng)的許多商業(yè)使用中，來自精煉廠或化工廠的廢氣被供給到PSA系統(tǒng)中進(jìn)行分離。在一示例性用途中，進(jìn)料是來自蒸汽甲烷重整裝置的廢氣，包括75mol.%的氫、15mol.%的二氧化碳、3mol.%至4mol.%的一氧化碳、5mol.%的甲燒和0.5mol.%的氮。PSA系統(tǒng)能夠從這樣的進(jìn)料中分離出99.9mol.%的氫產(chǎn)品流。
[0016]PSA工藝涉及四個基本工序的循環(huán)重復(fù):生產(chǎn)、減壓、凈化和重新加壓。首先，在高壓下將進(jìn)料氣體混合物供給到包含有吸附材料——通常為氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等一的容器中。進(jìn)料氣體中的雜質(zhì)吸附在多孔吸附劑的內(nèi)部表面上，將經(jīng)凈化的氣體產(chǎn)品留在容器的空隙空間中。然后在壓力下從容器的頂部提取產(chǎn)品氣體。然后使吸附容器中的壓力降低，并且移出保留在容器的空隙空間中的產(chǎn)品氣體。將被吸附的雜質(zhì)釋放回氣相，使吸附床再生。然后利用少量的經(jīng)凈化的產(chǎn)品氣體凈化容器，以完成吸附床的再生。雜質(zhì)在低壓排氣流中離開PSA工藝。最后，利用來自減壓步驟的產(chǎn)品氣體、進(jìn)料氣體和高純度產(chǎn)品氣體的混合物使容器重新加壓。在傳統(tǒng)PSA系統(tǒng)中，該循環(huán)每5到10分鐘重復(fù)一次。
[0017]由于每次循環(huán)實質(zhì)上為批量處理，故通常依次一起使用多個壓力容器來提供產(chǎn)品氣體的半連續(xù)流動。此外，使用大型調(diào)節(jié)箱來抑制進(jìn)料、產(chǎn)品流和排氣流的流動變化。為了完全利用所采用的吸附材料，PSA系統(tǒng)要求氣體貫穿PSA工藝/處理循環(huán)的始終均勻地流過(多個)吸附容器。此外，在PSA容器進(jìn)入和離開區(qū)域(即，入口和出口及它們相關(guān)聯(lián)的集管/流管/聯(lián)管)中的空隙容積和壓降對PSA系統(tǒng)的處理性能有不利影響，并且必須在實際的商業(yè)操作中最小化。
[0018]圖1中示出根據(jù)本申請中設(shè)想的一個示例性實施例的用于執(zhí)行選擇性吸附的系統(tǒng)10。如圖所示，該系統(tǒng)接收進(jìn)料流12并且將它分離成產(chǎn)品流14和雜質(zhì)流16。系統(tǒng)10設(shè)置有吸附容器20，雜質(zhì)在所述吸附容器中被從進(jìn)料流12中去除。雖然在圖1中示出4個容器20，但在系統(tǒng)10中通常設(shè)置有10個容器，并且系統(tǒng)10可包括多達(dá)16個容器或更多。通常，容器20并列運行，不過它們可串聯(lián)連接用于額外的處理效益，例如重新加壓。
[0019]如圖所示，進(jìn)料流12經(jīng)供給管路22輸送到容器20中。此外，供給管路22連接到壓力源24上，用以加壓到較高的吸附壓力。在PSA循環(huán)中的高壓產(chǎn)品生產(chǎn)步驟期間，產(chǎn)品流14經(jīng)出口管路26離開容器20。此外，系統(tǒng)10包括用于在PSA循環(huán)中的再生步驟期間去除雜質(zhì)的雜質(zhì)管路28。如圖所示，雜質(zhì)管路28可連接到低壓裝置30上，以從容器20中去除雜質(zhì)。
[0020]現(xiàn)在參照圖2，示出了示例性吸附容器20的結(jié)構(gòu)。示例性吸附容器20包括基本上圓柱形的容器壁40，該容器壁從底端42延伸到頂端44并且包封出容器腔室46。如圖所示，在底端42中形成有用于接收進(jìn)料流12以及用于排出雜質(zhì)流16的入口 48。入口 48和容器壁40限定出軸線50。此外，在頂端44中形成有用于釋放產(chǎn)品流14的產(chǎn)品出口 52。
[0021]吸附容器20設(shè)置有穿孔的支承板60。支承板60限定出平面62，并且可認(rèn)為該支承板將容器腔室46分成入口區(qū)64和吸附區(qū)66。如圖所示，支承板60坐設(shè)在內(nèi)支承環(huán)形件68和外支承環(huán)形件70上，并且例如通過螺栓連接結(jié)構(gòu)連接到所述內(nèi)、外支承環(huán)形件上。每個支承環(huán)形件68、70都是圓柱形的，并且靠近其各自的頂部被穿孔。如圖所示，內(nèi)支承環(huán)形件68以軸線50為中心，外支承環(huán)形件70以內(nèi)支承環(huán)形件68為中心。容器20還可包括用于使氣流轉(zhuǎn)向的穿孔的轉(zhuǎn)向器72。
[0022]在圖2中，吸附材料73定位在容器腔室46內(nèi)位于支承板60上方。如上所述，吸附材料73被選擇成選擇性地從期望的氣體產(chǎn)品中吸附雜質(zhì)，并且吸附材料可以是例如氧化鋁、硅膠、活性炭或分子篩。此外，這些吸附劑可形成多層。例如，在圖2中，活性炭的第一吸附層74定位在支承板的頂部并且占總吸附劑體積的60%。沸石分子篩的第二吸附層75定位在活性炭層的頂部并且占吸附劑體積的其余40%。
[0023]為了減小容器20中的空隙容積，填充材料80定位在支承板60下方的入口區(qū)64內(nèi)。填充材料80可以是例如聚合物閉孔泡沫體、液體、混凝土、耐火絕緣材料、塑料塊、花崗石塊、陶瓷球、砂、固體石蠟或它們的組合。如上所述，填充材料——不論是單一材料還是材料的組合物一的總孔隙率小于25 %，例如小于20 %、小于15 %或小于10 %。如圖所示，填充材料80形成圓環(huán)狀或環(huán)形，并且緊靠內(nèi)支承環(huán)形件68的外表面82。此外，填充材料80緊靠外支承環(huán)形件70的內(nèi)表面84。填充材料80沿容器20的底端42在內(nèi)支承環(huán)形件68與外支承環(huán)形件70之間延伸。容器20還可包括用于填充材料80的覆蓋件86。覆蓋件86可以是用于尤其在運輸期間保持填充材料80就位的膜袋或諸如金屬薄片的結(jié)構(gòu)元件。如圖所示，多個陶瓷球88可定位在外支承環(huán)形件70與容器壁40之間的容積中，用以進(jìn)一步減小空隙容積，以防止吸附材料74沿容器壁40滲漏到支承板60下方，并且有助于流動分布。
[0024]填充材料80用于減小容器20中的空隙容積，并用于限定出用于進(jìn)料混合物的通道或流動路徑(箭頭92)。流動路徑經(jīng)過支承環(huán)形件68、70的穿孔的上部部分。如圖所示，流動路徑由填充材料80和/或覆蓋件86以及穿孔支承板60下方的容器壁40界定。如圖所示，容器20具有容器高度100、腔室內(nèi)徑102、吸附床高度104、入口內(nèi)徑106和支承板高度 108。
[0025]在另一示例性實施例中，吸附容器20具有15.857立方米(或560立方英尺)的容積，以及介于容器容積的3%到15%之間、例如容器容積的6%或8.5%的總?cè)肟趨^(qū)容積。在入口區(qū)64內(nèi)，填充材料填充了入口區(qū)容積的50%。因此，入口區(qū)內(nèi)的余下空隙容積是容器容積的4%，并且填充材料體積介于容器容積的2%到10%之間、例如容器容積的3%或
4.5%。
[0026]由于填充材料80的放置、設(shè)計和體積，以及材料特性——包括低總孔隙率，所以在不破壞進(jìn)給氣體混合物的均勻流動分布且不增加整個容器中的壓降的情況下減小了吸附容器20的空隙容積。因此，提高了處理/工藝效率。例如，空隙容積量的減小使得在PSA處理/工藝循環(huán)中的容器減壓期間損失到雜質(zhì)流16中的氣體產(chǎn)品(例如，氫)減少了。因此，可以減少循環(huán)時間本身，從而減小了所必需的吸附床高度104而不降低從進(jìn)給氣體流中回收產(chǎn)品流14的比例。
[0027]因此，已描述了用于從氣體產(chǎn)品中分離出雜質(zhì)的吸附系統(tǒng)和容器。所述吸附容器設(shè)置有用于減小空隙容積以提高處理效率的填充材料。雖然在前面的詳細(xì)描述中已提出至少一個示例性實施例，但應(yīng)該了解的是，還存在非常多的變型。還應(yīng)該了解的是，本申請中描述的一個或多個示例性實施例并非意在以任何方式限制要求專利權(quán)的主題的范圍、適用性或構(gòu)型。相反，前面的詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)所述的一個或多個實施例的方便的途徑。應(yīng)該理解的是，可以在過程中做出各種改變而不脫離由權(quán)利要求限定的范圍，該范圍包括已知的等同方案和在提交本專利申請時可預(yù)見的等同方案。
【權(quán)利要求】
1.一種用于接收流體混合物(12)以及從該流體混合物中分離出成分的吸附容器(20)，所述吸附容器包括: 容器壁(40)，所述容器壁從底端(42)延伸到頂端(44)并限定出容器腔室(46)； 底部入口(48)，所述底部入口形成在所述容器的底端中用于將所述流體混合物引入到所述容器腔室中； 支承板(60)，所述支承板定位在所述容器腔室中位于所述底端上方，并且限定出在所述支承板與所述底端之間的底部空隙容積；和填充材料(80)，所述填充材料的總孔隙率小于25%，所述填充材料定位在所述底部空隙容積中，并且限定出用于使所述流體混合物從所述底部入口流動到所述支承板的通道(92)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述吸附容器還包括定位在所述容器腔室中位于所述支承板上方的吸附材料(73)，其中所述吸附材料從所述流體混合物中選擇性地吸附所述成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述容器腔室限定出容器容積，所述底部空隙容積占所述容器容積的3 %到15 %，所述填充材料限定出占所述容器容積的2 %到10%的填充容積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的吸附容器，其特征在于，所述填充容積占所述底部空隙容積的50%，所述底部空隙容積占所述容器容積的6%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的吸附容器，其特征在于，所述填充容積占所述容器容積的3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述填充材料的總孔隙率小于10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸附容器，其特征在于，所述底部入口限定出軸線(50)，所述容器還包括定位在所述底端中并且環(huán)繞所述軸線的內(nèi)支承環(huán)形件(68)，其中所述內(nèi)支承環(huán)形件具有外表面(82)，所述填充材料緊靠所述內(nèi)支承環(huán)形件的所述外表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吸附容器，其特征在于，所述吸附容器還包括定位在所述底端中并且環(huán)繞所述內(nèi)支承環(huán)形件的外支承環(huán)形件(70)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的吸附容器，其特征在于，所述外支承環(huán)形件具有內(nèi)表面(84)，所述填充材料緊靠所述外支承環(huán)形件的所述內(nèi)表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的吸附容器，其特征在于，所述內(nèi)支承環(huán)形件和所述外支承環(huán)形件包括穿孔的上部部分，所述通道經(jīng)過所述穿孔的上部部分。
【文檔編號】B01D53/04GK103998112SQ201280062432
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月19日
【發(fā)明者】K·M·帕特爾, B·P·魯塞爾, P·A·瑟克里斯特, M·J·維特爾, 陳華, 陳鵬飛 申請人:環(huán)球油品公司