用于热增强变压吸附工艺中的装置 |
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| 申请号 | CN201720096392.5 | 申请日 | 2017-01-25 | 公开(公告)号 | CN206463734U | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 气体产品与化学公司; | 发明人 | M.A.卡尔巴西; A.E.L.奥米拉; C.J.赖斯威尔; I.R.佐恩; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及用于热增强变压 吸附 工艺中的装置。本实用新型涉及一种 温度 增强变压吸附(TEPSA)工艺，其用于从气体混合物中移除至少两种成分，包括非强吸附的成分和较强吸附的成分，所述工艺包括使用一个单个加热器和至少两个吸附剂容器，在每个吸附剂容器中执行包括吸附阶段和后续再生阶段的反复循环。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于热增强变压吸附工艺中的装置，包括一个单个加热器和至少两个吸附剂容器，其中各个吸附剂容器包括 |
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| 说明书全文 | 用于热增强变压吸附工艺中的装置技术领域背景技术[0002] 定期地需要通过在固体吸附剂上吸附而从气流中移除气体成分。具体地说，预净化步骤通常用于执行低温空气分离工艺时。因此，吸附剂的周期性再生是必须的，因为这种被移除的气体成分可具有内在价值，或者它们可能污染气体混合物中的气体成分。 [0003] 在这种工艺中，传统进给的气体与包含在吸附剂容器中的固体吸附剂相接触，以便吸附有待移除的成分，并且这些成分逐渐地累积在吸附剂中。吸附剂中被移除的成分的浓度逐渐升高，并且如果该工艺继续足够的时期，吸附剂成分将突破吸附剂床的下游末端。在这发生之前，需要使吸附剂再生。 [0004] 为了执行预净化步骤，应用了不同的工艺，例如变热吸附(TSA)、变压吸附(PSA)和热增强变压吸附(TEPSA)。 [0005] 在PSA工艺中，通过使有待处理的气体停止流入吸附剂，使吸附剂减压，并且通常通过使在其吸附于床上的成分方面含量较低的再生气体以产物进给方向反向穿过床而完成解吸。 [0006] TSA工艺通常用于预净化低温空气分离单元(ASU)上游的空气。TSA工艺特征在于通常显著高于100ºC的吸附工艺的高温再生以及长的热再生时期。因为与TSA工艺相关联的热通量是强烈且超长的，热脉冲品质上的退化对于TSA解吸工艺具有极小的影响。由加热器提供给TSA工艺的热量主要用于解吸强吸附的成分，即水，其具有高的吸附热。 [0007] TSA工艺的一种变体是例如美国专利No.5,614,000中所述的TEPSA工艺。TEPSA是一种低温再生工艺，其温度通常低于100ºC，并且只有简短的加热。与TSA工艺相反，由加热器提供的热量用于移除“最不强”吸附的污染物，即CO2。与TEPSA工艺相关联的热通量可能如所述是微弱的，所以在其朝着吸附剂的行程上即使微小的热损失都可能极大地降低由热脉冲携带的热的品质。 [0008] 这与传统TSA工艺相反，传统TSA由高温控制，用于显著高于100ºC的再生以及显著大于10分钟的热再生时期。由于更极端的TSA工艺条件，在合理距离(例如离吸附剂容器20m或更远)内的加热器的位置对于再生工艺只有很小的影响，参见美国专利No.9,108,145。 [0009] 在美国专利No.5,614,000以及美国专利No.8,734,571中描述了一种用于TEPSA的装置配置，其只包括用于提供热再生气体的单个外部加热器。这种配置只包括一个不定位在吸附剂容器附近的外部加热器，这种配置具有容易发生热损失的缺点，从而极大地降低了发送给吸附剂床的热脉冲品质(其理想地具有矩形形状)。 [0010] 这是为什么在TEPSA工艺的实践中迄今为止没有应用这种配置，而是使用例如美国专利No.7,066,986中所述配置的原因。在这个文献中公开了一种用于TEPSA工艺的双床加热器装置，其中每个吸附剂容器具有单独的加热器。加热器以某一方式进行设置，使得每个吸附剂容器装备单独的加热器元件，其定位在吸附剂容器的入口喷嘴中。通过这种TEPSA装置可最大限度地减小上述缺点，例如热损失、变化的热脉冲品质等等。此外，最大限度地减小了在加热器和吸附剂床之间的距离，从而保持了在与吸附剂床接触之前的热脉冲品质。 [0011] 美国专利No.7,066,986所述的加热器装置的问题是必须使用多个加热器，即每个吸附剂容器各一个。这种装置由于需要众多加热器，而且这些加热器必须定位在与吸附剂容器紧密接触的地方而造成维护工作量的增加。此外，由于加热器包含在吸附剂容器的入口喷嘴中，所以它们由于其庞大体积而妨碍了更复杂的容器装置的实现。另外，众多加热器由于材料和能量输入方面的增加而对成本具有负面影响。此外，维护费用也是较高的。 [0012] 因而，需要一种改善的TEPSA工艺。本实用新型致力于克服本领域中已知的TEPSA工艺的缺点，并且尤其致力于提供一种需要较少复杂且昂贵的装置配置的工艺，其为吸附剂床同时提供稳定的热脉冲。 [0013] 因而，本实用新型致力于用于操作涉及空气低温分离之前的空气净化的低再生温度TEPSA的工艺增强，从而简化和减少当前工艺的成本。 [0014] 此外，本实用新型涉及可用于这种TEPSA工艺的装置的提供。实用新型内容 [0015] 本实用新型基于发现的上面的问题可通过TEPSA工艺来克服，TEPSA工艺使用单个加热器和至少两个单独的吸附剂容器，由此在第一再生阶段期间，在吸附容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是20ºC或更低。 [0016] 本实用新型因此在第一方面提供了一种温度增强变压吸附(TEPSA)工艺，其用于从气体混合物中移除至少两种成分，包括非强吸附的成分和较强吸附的成分，所述工艺包括使用一个单个加热器和至少两个吸附剂容器，在每个吸附剂容器中如下执行包括吸附阶段和后续再生阶段的反复的循环： [0017] 在吸附阶段，所述气体混合物以第一方向穿过包含在吸附剂容器中的吸附剂床，使得所述气体混合物通过使所述至少两种成分吸附在吸附剂床中而进行净化，[0018] 在第一再生阶段，具有选定为20ºC至100ºC范围内的任何温度的目标温度的热再生气体按照与吸附阶段期间的流向相反的流向穿过吸附剂床，且 [0019] 在第二再生阶段，具有选定为5ºC至65ºC范围内的任何温度的目标温度的冷再生气体按照与吸附阶段期间的流向相反的流向穿过吸附剂床， [0020] 其中 [0021] 通过使再生气体从源传送至将其加热的所述加热器，并将离开加热器的热再生气体传送至相应的容器，从而将热再生气体提供给各个吸附剂容器，且 [0022] 通过引导再生气体从来源绕过加热器至相应的容器，从而使冷再生气体提供给各个吸附剂容器，且 [0023] 在所述第一再生阶段期间，在吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是20ºC或更低。 [0024] 根据本实用新型的TEPSA工艺具有如这里所述的特定配置所获得的各种优点。在再生阶段期间的热损失保持极小，并且在第一再生阶段期间可产生稳定且尖锐的(更加矩形形状的)热脉冲，并热脉冲在吸附剂床上传送。此外，可显著地减少维护工作量，因为对于该工艺只需要一个加热器，并且可实现能量的减少，使得该工艺更为经济且更可持续。 [0025] 通常，执行本实用新型的工艺，使得在不同的吸附剂床中交替地执行吸附和再生，即其中使用两个吸附剂容器，容器1中发生吸附，且同时在容器2中发生再生。 [0026] 如果使用不止两个吸附剂床，例如三个或四个，那么仍然可使用一个单个加热器加热各个吸附剂容器的第一再生阶段中所使用的再生气体，因为这个阶段在TEPSA工艺中相对较短，使得经加热的气体可交替地提供给各个容器。 [0027] 在任何情况下，对于所申明的工艺重要的是，用于第二再生阶段的冷再生气体不再通过可能关闭的加热器，而是绕过加热器。 [0028] 在第二方面，本实用新型提供了根据第一方面的工艺，其中在所述第一再生阶段期间，在吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是15ºC或更低。 [0029] 在第三方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第一再生阶段的热再生气体具有选定为20ºC至70ºC范围内的任何温度的目标温度。 [0030] 在第四方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第二再生阶段的冷再生气体具有选定为10ºC至55ºC范围内的任何温度的目标温度。 [0031] 在第五方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第一再生阶段的热再生气体的目标温度和第二再生阶段的冷再生气体的目标温度的差异是15ºC或更高。 [0032] 在第六方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第一再生阶段的热再生气体的峰值温度是45ºC或更高。 [0033] 在第七方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第一再生阶段发生了20分钟或更少。 [0034] 在第八方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中第二再生阶段发生了80分钟或更少。 [0035] 在第九方面，本实用新型提供了根据之前方面的工艺，其中整个再生循环时间(在线时间)是120分钟或更少。 [0036] 在第十方面，本实用新型提供了一种用于根据任一前述权利要求所述TEPSA工艺的装置，其包括一个单个加热器和至少两个吸附剂容器，其中各个吸附剂容器包括[0037] - 用于有待净化的气体混合物的入口和用于通过流动路径分离出的净化的气体的出口，流动路径包括包含吸附剂床的流室， [0038] - 用于通过流动路径分离出的再生气体的入口和出口，流动路径包括所述流室，[0039] 该装置还包括 [0040] - 将有待净化的气体混合物的来源与各个吸附剂容器的用于气体混合物的入口连接起来的管线， [0041] - 将加热器与再生气体的来源连接起来的管线， [0042] - 将加热器与各个吸附剂容器的用于再生气体的入口连接起来的管线，和[0043] - 将再生气体的来源与各个吸收剂容器的入口连接起来的管线，其绕过加热器，[0044] 其中 [0045] - 在第一再生阶段期间通过使再生气体从来源传送至加热器，将其加热，并将经加热的再生气体传送至相应的吸附剂容器的入口，从而使热再生气体提供给各个吸附剂容器，使得在所述第一再生阶段期间，在相应的吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是20ºC或更低，且 [0046] - 通过引导再生气体从来源绕过加热器至相应的容器，从而使冷再生气体提供给各个吸附剂容器。 [0047] 在第十一方面，本实用新型提供了根据第十方面的装置，其中用于经加热的再生气体的单个管线离开加热器，其分裂成单独通向各个用于再生气体的吸附剂容器入口的管线。 [0048] 在第十二方面，本实用新型提供了根据第十一方面的装置，其中来自加热器的单个管线连接与来自再生气体来源的绕过加热器的单个管线相连，从而形成单个公共的再生气体管线，之后这个公共管线分裂成单独通向各个用于再生气体的吸附剂容器入口的管线。 [0049] 在第十三方面，本实用新型提供了根据第十二方面的装置，其中从加热器至与绕过加热器的管线的结合部的单个管线的长度X在1m至9m之间。 [0050] 在第十四方面，本实用新型提供了根据第十二或第十三方面的装置，其中来自加热器的单个管线与绕过加热器的管线的结合部与各个吸附剂容器的用于再生气体的入口之间的管线的长度Y不超过6m。 [0051] 在第十五方面，本实用新型提供了根据第十至第十四方面的装置，其中来自再生气体来源的单个管线分裂成通向加热器的管线和绕过加热器的管线。 [0052] 在第十六方面，本实用新型提供了根据第十二至第十五方面的装置，其中沿着长度X的管线被隔热。 [0053] 详细描述 [0054] 在本实用新型的工艺中，反复的操作循环包括吸附阶段，在此期间，在第一压力和第一温度下沿进给方向的进给气体混合物流与固体吸附剂接触，固体吸附剂能够吸附有待更强吸附的第一成分和非强吸附的第二成分，使得所述第一成分吸附在所述吸附剂的上游部分中，并且所述第二成分吸附在所述吸附剂的更下游部分中。 [0055] 在吸附阶段之后，进给气流被停止，并且与吸附剂接触的气体被减压至较低的第二压力。 [0056] 在减压之后，如上所述执行再生阶段。在第一再生阶段期间，主要是更下游部分中(相对于吸附阶段期间的气体混合物流)的非强吸附成分被解吸，并且在第二再生阶段，主要是吸附剂的上游部分中的更强吸附的第二成分被解吸。 [0057] 在根据本实用新型的工艺中，在第一再生阶段期间，在吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是20ºC或更低。这是为了确保在第一再生阶段期间的热脉冲的高品质。 [0058] 优选地，所述温差为18ºC或更低，更优选15ºC或更低，更优选13ºC或更低，并且最优选11ºC或更低。 [0059] 通常，在第一再生阶段期间，在吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是5ºC或更高。 [0060] 这个温差通过在整个第一再生阶段期间连续地测量吸附容器的再生气体入口处的温度并以测量的最高温度值减去最低温度值来确定。 [0061] 优选地，在根据本实用新型的工艺中，第一再生阶段中的热再生气体的目标温度选定为20ºC至90ºC，优选20ºC至80ºC，更优选20ºC至70ºC，更优选30ºC至70ºC，更优选30ºC至65ºC，且最优选30ºC至60ºC范围内的任何温度。 [0062] 在根据本实用新型的工艺中，第二再生阶段中的冷再生气体的目标温度选定为10ºC至65ºC，优选15ºC至65ºC，更优选15ºC至60ºC，且最优选15ºC至55ºC范围内的任何温度。 [0063] 目标温度是在再生阶段中接近吸附剂床顶面的最高温度。 [0064] 优选地，第一再生阶段的热再生气体的目标温度和第二再生阶段的冷再生气体的目标温度的差异是15ºC或更高，更优选是20ºC或更高。 [0065] 在第一再生阶段，吸附剂容器的再生气体入口处的热再生气体的峰值温度，即测量的最高温度是45ºC或更高。 [0066] 如提到的那样，在TEPSA工艺中，经加热的再生气体通过吸附剂床的时期是相当短的。因而，在根据本实用新型的工艺中，第一再生阶段发生30分钟或更少，优选25分钟或更少，优选20分钟或更少，更优选15分钟或更少，且最优选12分钟或更少。 [0067] 通常，第一再生阶段的持续时间是5分钟或更多，优选10分钟或更多。 [0068] 在根据本实用新型的工艺中，第二再生阶段优选发生90分钟或更少，优选80分钟或更少，更优选70分钟或更少，更优选55分钟或更少，更优选45分钟或更少，更优选30分钟或更少，且最优选25分钟或更少。 [0069] 通常，第二再生阶段的持续时间是5分钟或更多，优选10分钟或更多，并且更优选15分钟或更多。 [0070] 在根据本实用新型的工艺中，整个再生循环时间，即包括所有再生阶段(在线时间)是120分钟或更少，优选105分钟或更少，更优选90分钟或更少，更优选75分钟或更少，更优选60分钟或更少，且最优选45分钟或更少。 [0071] 通常，整个再生循环时间是10分钟或更多，优选15分钟或更多，且更优选30分钟或更多。 [0072] 优选地，在本实用新型的工艺中，加热器和可选的具有“临界长度X”的下游管线如下所述始终保持温暖。这用于改善第一再生阶段期间的热脉冲的完整性。具有“临界长度X”的下游管线优选被隔热。 [0073] 优选地，在本实用新型的工艺中，具有“长度Y”的下游管线也如下面所述被隔热。这用于改善第一再生阶段期间的热脉冲的完整性。隔热还用于人员防护。 [0074] 优选地，在整个工艺期间，加热器中的温度不会下降至第一再生阶段的目标温度以下20ºC或更少，优选15ºC或更少，更优选10ºC或更少，且最优选5ºC或更少。这可通过合适的方法来实现，例如只在短时期内关闭加热器或者在工艺期间根本不关闭它，和/或通过应用管线(正常管道)装置使加热器在所有时间都保持在或接近正常操作温度。 [0075] 更优选地，在整个工艺期间，具有长度X的下游管线在与加热器相反的末端处的温度不会下降至低于第一再生阶段的目标温度以下25ºC或更少，优选20ºC或更少，优选15ºC或更少，且最优选10ºC或更少。 [0076] 在一个优选实施例中，在本实用新型的工艺中，有待净化的气体混合物是空气。 [0078] 优选地，有待净化的气体混合物中的CO2浓度为50至2000ppm，优选100至1500ppm，更优选100ppm至1000ppm，更优选200至800ppm，且最优选300至600ppm。 [0079] 有待净化的气体混合物还可包含N2O，如果存在的话，N2O的浓度为100至1000ppb，优选100至900ppb，更优选200至700ppb，且最优选300至500ppb。 [0080] 更进一步优选的是，有待从气体混合物吸附出的更强吸附成分是水。 [0081] 在本实用新型的一个实施例中，有待净化的气体混合物的流量在吸附阶段期间是250至200000Nm3hr-1，优选250至175000 Nm3hr-1，更优选250至125000 Nm3hr-1，更优选350至 3 -1 3 -1 3 -1 100000 Nmhr ，更优选350至50000 Nmhr ，且最优选500至20000 Nmhr 。在进一步的实施例中，再生气体的流量在第一和/或第二再生阶段期间是250至150000 Nm3hr-1，优选250至125000 Nm3hr-1，更优选250至100000 Nm3hr-1，更优选250至50000 Nm3hr-1，更优选250至 15000 Nm3hr-1，且最优选500至15000 Nm3hr-1。 [0082] 扫气/空气比(P/A比)为0.1至0.9，优选0.2至0.8，更优选0.2至0.7，更优选0.25至0.6，且最优选0.3至0.5。 [0083] 有待净化的气体混合物(进给流)的压力为1至50巴，优选2至45巴，更优选3至40巴，更优选3.5至30巴，更优选3.5至20巴，且最优选4至10巴。 [0084] 本实用新型的工艺的进一步优选的实施例涉及在任何所述的实施例中使用如下文所述的装置。 [0085] 在另一方面，本实用新型提供了一种用于任一上述实施例中所述TEPSA工艺的装置，其包括一个单个加热器和至少两个吸附剂容器，其中各个吸附剂容器包括[0086] - 用于有待净化的气体混合物的入口和用于通过流动路径分离出的净化的气体的出口，流动路径包括包含吸附剂床的流室， [0087] - 用于通过流动路径分离出的再生气体的入口和出口，流动路径包括所述流室，[0088] 该装置还包括 [0089] - 将有待净化的气体混合物的来源与各个吸附剂容器的用于气体混合物的入口连接起来的管线， [0090] - 将加热器与再生气体的来源连接起来的管线， [0091] - 将加热器与各个吸附剂容器的用于再生气体的入口连接起来的管线，和[0092] - 将再生气体的来源与各个吸收剂容器的入口连接起来的管线，其绕过加热器，[0093] 其中 [0094] - 在第一再生阶段期间通过使再生气体从来源传送至加热器，将其加热，并将经加热的再生气体传送至相应的吸附剂容器的入口，从而使热再生气体提供给各个吸附剂容器，使得在所述第一再生阶段期间，在相应的吸附剂容器的再生气体入口处的最高和最低温度值之间的温差是20ºC或更低，且 [0095] - 通过引导再生气体从来源绕过加热器至相应的容器，从而使冷再生气体提供给各个吸附剂容器。 [0096] 在根据本实用新型的装置的一个优选实施例中，用于经加热的再生气体的单个管线离开加热器，其分裂成单独通向各个用于再生气体的吸附剂容器入口的管线。 [0097] 进一步优选地，来自加热器的单个管线与来自再生气体来源的绕过加热器的单个管线相连，从而形成单个公共的再生气体管线，之后这个公共管线分裂成单独通向各个用于再生气体的吸附剂容器入口的管线。 [0098] 在本实用新型的一个特别优选的实施例中，从加热器至与绕过加热器的管线的结合部的单个管线的长度X在1m至9m之间，优选在1m至6m之间。 [0099] 通过将加热器和来自加热器的管线与绕过加热器的管线的结合部之间的管线的“临界长度X”保持在1m至9m之间，在第一再生阶段期间可将特别尖锐的热脉冲提供给吸附剂床。 [0100] 如上面提到的那样，在本实用新型的工艺中，加热器和如上所述还可能具有“临界长度X”的下游管线优选始终保持温暖。因此，管线沿着长度X优选被隔热。 [0101] 在本实用新型的装置的一个优选实施例中，来自再生气体来源的单个管线分裂成通向加热器的管线和绕过加热器的管线。 [0102] 在本实用新型的装置的一个优选实施例中，在来自加热器的单个管线与绕过加热器的管线的结合部与各个吸附剂容器的用于再生气体的入口之间的管线的总长度，即“长度Y”不超过6m，更优选不超过4m，且最优选不超过3m。 [0103] 根据本实用新型的装置具有各种优点。单个加热器并不直接连接在或包含在吸附剂容器的入口喷嘴中的应用容许更简单的布置。这种简单且更经济的布置还容许更有效的维护，从而节省维护时间和维护成本。此外，因为加热器的温度将不会降低至环境温度，所以当流量改道至加热器上并传送至吸附剂容器时，利用本实用新型的装置可实现更方正的温度分布线。管线温度的衰退得以降低，并因此通过本实用新型的装置可获得更尖锐温度分布线。附图说明 [0104] 图1示出本领域中已知的两个吸附容器(2个床)，其包含具有集成加热器的TEPSA装置； [0105] 图2示出两个吸附容器(2个床)，其包含具有外部加热器和旁通管线的TEPSA配置； [0106] 图3示出简化的“热备”加热器装置，其描绘了管线长度“X”(距离X)和管线长度“Y”(距离Y)； [0107] 图4示出三个吸附容器(3个床)，其包含具有外部加热器和旁通管线的TEPSA装置； [0108] 图5示出曲线图，其显示了没有“热备”加热器装置的TEPSA再生流温度分布线，X=1m； [0109] 图6示出曲线图的比较，其显示了没有“热备”加热器装置的TEPSA再生流温度分布线，X=1m且X=9m； [0110] 图7示出曲线图的比较，其显示了带隔热且X=9m的“热备”再生和备用分布线以及带隔热且X=1m的“热备”再生和备用分布线。 [0111] 图8示出曲线图的比较，其显示了不带隔热且X=9m的“热备”再生和备用分布线以及不带隔热且X=1m的“热备”再生和备用分布线。 [0112] 图9示出曲线图的比较，其显示了带隔热且X=1m的“热备”再生和备用分布线，不带隔热且X=1m的“热备”再生和备用分布线，以及没有“热备”加热器装置且不带隔热且X=1m的再生流温度分布线。 [0113] 图10示出曲线图的比较，其显示了X=9m且带隔热的“热备”再生分布线与没有“热备”加热器装置且X=9m的再生流温度分布线的对比。 [0114] 图11示出曲线图的比较，其显示了X=9m且带隔热的“热备”再生分布线与没有“热备”加热器装置且X=1m的再生流温度分布线的对比。 具体实施方式[0115] 图1中所示的装置是实践中当前如何使用的用于TEPSA工艺的现有技术装置。如图可见，不是使用了一个单个加热器为吸附剂床提供热再生气体，而是在各个吸附剂容器的再生气体入口附近存在单独的加热器，用于为各个容器加热再生气体。 [0116] 因而在图1中，在各吸附剂容器20,22的附近定位了两个加热器62,62'。通过该配置，确保了去向吸附剂床的热脉冲的完整性，然而，该装置是复杂的，因为每个吸附剂容器20,22需要装备单独的加热器，其则意味着更高的投资成本。 [0117] 图2显示了可用于本实用新型的配置。再生气体源自再生气体来源。单个加热器62定位在通过两个阀门58和60隔离的再生气体管线中，阀门控制着再生气体的传送。再生气体从而可通过打开阀门60而穿过加热器62，或者通过关闭阀门60且打开阀门58而绕过加热器。在距离X中，即在朝吸附剂容器(参见图3“吸附剂容器20,22”)的方向上离开加热器的长度X的管线与通过阀门58控制的用于冷再生气体的旁通管线连接在一起。到所述结合部的管线长度X被描绘为距离X，并且始终保持温暖，例如通过包括所述管线的隔热。图3还描绘了管线长度Y(距离Y)，其中未显示再生气体入口(只描绘为“通向吸附剂容器20,22”)。然而，管线长度Y是在朝吸附剂容器方向上离开加热器的长度X的管线与通过阀门58控制的用于冷再生气体的旁通管线的结合部和吸附剂容器的再生气体入口之间的距离。必须注意的上，长度Y是针对从所述结合部至相应的吸附剂容器的各个管线而单独测量的。在图3中还显示了所述“热备”加热器装置的细节。 [0118] 根据图2，有待净化的空气(进给流)在入口12处供给主空气压缩机系统10，其在此处被多级压缩机压缩，通过与水的热交换进行中间冷却和后冷却。经冷却的压缩空气供给入口歧管14，入口歧管14包含入口控制阀16和18，其连接一对包含吸附剂床的容器20和22。入口歧管通过包含通风阀26,28的通风歧管24而桥接在控制阀16和18的下游，通风阀用于关闭和打开在相应的吸附剂容器20和22的上游端和通风口30之间通过消声器32的连接。这两个吸附剂床20和22均包含至少两种吸附剂。进给端吸附剂由相应的床中的数字34,34'来指定，并且生产端吸附剂由数字36,36'来指定。 [0119] 该装置具有出口38，其通过包含出口控制阀42,44的出口歧管40而连接在两个吸附剂容器20,22的下游末端。 [0120] 出口歧管40通过包含再生气体控制阀48和50的再生气体歧管46进行桥接。在再生气体歧管46的上游，包含控制阀54的管线52还桥跨在出口歧管40上。用于再生气体的入口设于56处，其通过控制阀58和60连接，以穿过加热器62，或者通过旁通管线64到达再生气体歧管46。 [0121] 阀门的操作可通过本领域中已知的合适的可编程计时和阀门操作装置(未显示)进行控制。 [0122] 在操作过程中，空气在主空气压缩机系统10中进行压缩，并进给至入口歧管14，并穿过两个包含吸附剂的容器中的其中一个。从空气穿过打开的阀门16至吸附剂容器20，并穿过打开的阀门42至出口38的位置开始，入口歧管中的阀门18将关闭，以切断容器22的有待净化的空气的进给。阀门44也将被关闭。在这个阶段，阀门48,50,54和26都是关闭的。床20因而是在线的，并且床22将进行再生。 [0123] 为了开始床22的减压，阀门28被打开，并且一旦容器22中的压力下降至所需的水平，阀门28保持打开，同时打开阀门50，以便开始再生气体的流动。再生气体将通常是从空气分离单元冷箱中获得的无CO2的干氮流，可能包含少量的氩、氧以及其它气体，在所示装置中净化的空气将传送至空气分离单元冷箱中。阀门60被关闭，并且阀门58被打开，从而在传送到容器22中之前将再生气体加热至例如70ºC的温度。虽然再生气体在所选的高温下进入容器22中，但其由于放热以便从容器的上边下游吸附剂部分36'中解吸出二氧化碳，被非常轻微地冷却。因为热脉冲保持在系统中，所以离开的扫气气体以冷却的状态从通风出口30中显露出来。逐渐地，热浪随着二氧化碳的清除而穿过上边的吸附剂36'。在所需的时期之后，当热脉冲部分地穿过上边的吸附剂36'时，阀门58被关闭，且阀门60被打开，使得再生气体流现在变成冷的。冷却的再生气体使热脉冲进一步穿过上边的吸附剂36'。 [0124] 当上边的吸附剂已经通过TSA再生时，冷再生气体已经继续流过下边吸附剂，并且通过减少其压力而从上游吸附剂中通过PSA解吸水和二氧化碳。在分配的再生时期结束时，阀门50可被关闭，以终止再生气体的流动，并且可打开阀门54，以便从吸附剂中置换氮气，并在关闭阀门28之后，重新用净化的空气对容器22加压。之后，可关闭阀门54，并可打开阀门18和44，以便使容器22返回在线状态。留在床中的余热可通过净化的空气作为温度脉冲移除，这可在下游热交换器中移除。容器20然后可以相似的方式进行再生，并且整个顺序按照分段的操作循环延续：容器在线、减压、再生、重新加压、并返回在线状态。 [0125] 根据本实用新型，热脉冲在再生期间不会穿透至吸附水的吸附剂部分的边界那么远。这将位于区域34,34'中的某处，位于与图中所示的区域36,36'的边界下面。区域34,34'和36,36'的实际比例依赖于操作条件，例如进给压力、进给温度、循环时间和扫气/空气比。 [0126] 图4显示了一种用于“热备”应用的新颖的三个吸附剂容器方案，由此在吸附剂容器之间的合适的位置安装和“共享”单个加热器，而非利用三个单独的加热器。这种装置带来了更大的简易性，并且更可持续，因为其节省了能量、维护时间，并且可更有效地运转。 [0127] 示例 [0128] 在有和没有“热备”的装置中执行了仿真，以试验在第一再生阶段期间发送给吸附剂容器的热脉冲的完整性(形式)。 [0129] 有“热备加热器”的装置与图3中所示相对应。在根据图2的TEPSA装置中执行实验，由此使用了与图3相对应的“热备加热器”。在“没有热备加热器”的装置中，所有再生气体穿过加热器，加热器因此必须在加热第一再生阶段所需要的再生气体之后关闭，并且只有在下一第一再生阶段开始时打开，以便将再生气体加热至所需的温度。 [0130] 此外，利用带有和不带隔热管道的“热备”加热器装置执行了实验。 [0131] 用于实验的试验装置具有最大1500Nm3hr-1的可用流量。管道和加热器的负载分别是4''和24kW。 [0132] 利用弯管流量计测量了加热器上游的流量，并且测量了加热器上游和下游的压力。 [0133] 热电偶放置在： [0134] a)加热器的上游，以测量气体温度，从而测量跨加热器的温升； [0135] b)周围位置，用于热损失计算；和 [0136] c)0.2m，1m处，然后以1m的间隔至高达9m，从而容许在远离加热器的递增的距离处同时获得多个温度-时间的曲线。 [0137] 空气流速描述了进给流至TEPSA容器的进给流速。因为所应用的实验装置仅对再生气体的加热构建模型，所以使用扫气流速。因此，下文中空气流速描述了扫气流速。扫气流速对于加热和冷却步骤保持相同。在热备装置中，穿过试验装置的流量减少至零，以模仿加热器中的停滞气体。 [0138] ΔT被限定为在TEPSA容器的进给流温度和吸附剂床顶部的再生温度之间的差异。对于所有示例，所以需要的ΔT是30ºC，因此，在实验期间所达到的ΔT必须至少30ºC。这意味着对于所有示例，所需要的30ºC的ΔT是流温度方面的最低温度增量，其必须达到以满足再生要求。所有示例满足这个要求。 [0139] 比较性示例1(CE1) [0140] 对于比较性示例1，应用了表1中所示的条件。 [0141] [0142] 表1：用于比较性示例1和2的实验条件。 [0143] 参见图5的曲线图，CE1显示了从冷的位置离开加热器的温度脉冲过程，其中没有应用“热备”。加热器安装在公共管线中，公共管线将再生气体从再生气体来源提供给TEPSA工艺。加热时间是10分钟。在加热器下游X=1m的距离处测量温度。 [0144] 如图5中可看出，温度脉冲升高有迟缓的过程。在加热器关闭之后，随着加热器和相关联的管道被气体冷却下来，热量仍供给吸附剂床，气体现在应是去向吸附剂床的“冷的”扫气。 [0145] 比较性示例2(CE2) [0146] 对于比较性示例2，应用了针对CE1所使用的试验条件和设置。 [0147] 然而，温度是在加热器下游X=9m的距离处测量的。在图6中显示了结果。在图6中，分别比较了距离X=1m处针对CE1和距离X=9m处针对CE2的温度分布线。可以看出，加热器定位在离吸附剂容器越远，那么热脉冲存在额外的衰减。随着离加热器的距离增加，流温度增加得越慢，并且峰值温度(在10分钟处)较低。 [0148] 在冷却步骤期间流温度的降低速率在离加热器越远的距离处越少(参见图6)。该差异使得在关闭加热器之后较短的时期内，离加热器最远的流温度比紧接加热器之后的流温度更热。例如在冷却步骤期间的某个时间点，这个差异可能达到5ºC那么显著。在9m处的流温度比1m处的流温度热5ºC。 [0149] 本实用新型的示例1(IE1) [0150] 对于实用新型的示例1，应用了表2中所示的条件。 [0151] [0152] 表2：用于实用新型的示例1的实验条件。 [0154] 在低且短的温度循环的情况下(<70ºC，<10分钟)大量的热脉冲衰减是由管道以及加热器本身的热质量造成的。所以隔热主要用于防止热损失至环境中，即防止“热备”部件在未使用时冷却下来。此外，通过将加热器保持在“热备”模式下，避免加热器由于冷再生气体而冷却下来。 [0155] 温度是在离加热器的物理位置X=1m和X=9m(距离X)的距离处测量的。当冷的扫气通过关闭阀门58并打开阀门60(参见图3)而被引导穿过旁通管线时，下游管道保持温暖。 [0156] 图7显示了针对带热备装置的IE1的测量值的温度分布线，其具有隔热，且X=1m和X=9m。加热器定位在离吸附剂容器越远，可观测到额外的热脉冲衰减。 [0157] 本实用新型的示例2(IE2) [0158] 在下表3中描绘了用于IE2的实验条件。 [0159] [0160] 表3：用于实用新型的示例2的实验条件。 [0161] 在图8中显示了用于IE2测量值的温度分布线，其具有热备装置，没有隔热，且X=1m和X=9m。如图可以清晰地看出，加热器定位在离吸附剂容器越远，那么热脉冲存在额外的衰减。这个发现与图6中已经显示的非“热备”装置的发现是一致的。 [0162] 此外，从图8可推断X=1m和X=9m的IE2的峰值温度比IE1更低。这可回溯至失去的隔热。 [0163] 在下文中，在下表4中列出了对于CE1和CE2以及IE2的30ºC温度上升时间的结果。 [0164] [0165] 表4：针对CE1、CE2和IE2的30ºC温度上升时间。 [0166] 从表4中可推断距离X对于温度上升时间具有重要的影响，这通过相对于CE1，CE2和IE2的ΔT上升时间的不同值而清晰地显示出来。此外，其还显示了“热备”装置显著地降低了ΔT上升时间。 [0167] 在表5中，显示了关于在有和没有隔热的条件下的热备效果的测量结果，其中X=1m。CE1以及IE1和IE2的温度峰值和ΔT上升时间进行了比较。在表5中提供了结论。 [0168] [0169] 表5：关于热备效果的结果。 [0170] 图9描绘了对于X=1m距离的CE1、IE1和IE的温度分布线。 [0171] 本实用新型的示例与比较性示例的比较清晰地显示了热备模式和带隔热的热备已经改善了温度峰值和上升时间。 [0172] 图10和图11提供了对于X=9m的IE1所获得的温度分布线与针对CE1(参见图11)和CE2(参见图10)所获得的结果比较。 [0173] 图11描绘了CE1(X=1m)和IE1(X=9m)的温度分布线。 [0174] 对于IE1，当将其与CE1比较时可以清晰地看出，直接在离开加热器之后的加热工艺开始时的温度降，即在所述第一再生阶段期间最高和最低温度值之间的差异从45ºC减少至大约12ºC。在同CE2的比较中显示了相似的效果。因而，应用于IE1的条件和装置容许更加大量高级别热量引入到TEPSA工艺中。此外，可获得更高的峰值温度。此外，达到峰值温度需要较少的能量，因为在第一再生阶段期间最高和最低温度值之间的差异被显著减少了。 [0175] 在表6中显示了针对X=1m的CE1和针对X=9m的IE1的测量结果(在图11中描绘了温度曲线)。CE1和IE1的温度峰值和ΔT上升时间进行了比较。在下表6中提供了结论。 [0176] [0177] 表6：关于在变化的长度X上带隔热的热备效果和没有热备及隔热的比较。 [0178] 从图11和表6中可推断，在带隔热的热备情况下，IE1(参见相应的上边划点曲线)，温度峰值和ΔT上升时间得以改善，即使长度X从X=1m(CE1)扩展至X=9m(IE1)。图10中所描绘的CE2(X=9m)与IE1(X=9m)的比较显示了在本实用新型的带隔热的热备装置和传统设置之间甚至更强的差异。 |
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