[发明专利]模块化紧凑吸附床

说明书

技术领域

本发明总体涉及吸附床领域，尤其涉及用于气体分离工艺中的吸附床。更具体来说，本发明涉及模块化紧凑吸附床单元，其能够被组合来提供用于吸附基的气体分离工艺中的全尺寸吸附床结构。

背景技术

使用吸附床的气体分离工艺在本领域中众所周知。典型的吸附基工艺包括这些：其中在多组分供气内的一种气体组分被选择性吸附。比较关心的是循环工艺，其中被吸附的气体在逆向气流中被从吸附材料去除，例如压力摆动吸附（PSA）和真空压力摆动吸附（VPSA）工艺。在最近这些年中，这些工艺已经有显著进展，对吸附材料、吸附床和总体工艺参数和控制都有改进。竞争的市场压力已经不断地驱使这类工厂的构造和操作成本降低，通过减小床的尺寸以及使零件标准化来降低与设计、建造、运输和操作这类工厂相关的成本已经变得非常重要。更小的床结构减少了吸附材料总量、工厂设备例如工艺容器和缓冲罐的尺寸以及包括滑道尺寸的总的工厂占地面积。更小的滑道又降低了运输和安装成本。

因此，希望设计用于吸附基气体分离工艺中的新吸附床，其总体尺寸更小；所需构造成本更低；更易于运输；具有更低的维护和修复要求；并且更易于装载吸附材料。还同等重要的是设计这样的吸附床，其不但更小，而且不会负面影响工艺气流、循环速度、生产率和体积以及总的工艺能量要求。在吸附基气体分离工厂中使用模块化和/或紧凑吸附床结构可以实现显著的基建费用节省。

在本发明中，术语“模块化”指将传统床的给定正面流动区域重新构造为安装入壳体中的更小更能控制的分段，其中每个床单元或模块更容易装载吸附材料，更容易在壳体中处理和/或替换，并且总体上提供了整体吸附床结构的设计上的更大的灵活性。同样，术语“紧凑”在本发明中指，当工艺快速循环时，通过减小用于给定供给流所需的吸附剂体积（通过减小床的深度），对工艺提供强化的分段或单元。在本发明中，用多个模块化吸附床单元来代替气体分离工厂中的传统充填床。包含吸附材料的个体模块化吸附床单元被组合来构造全尺寸吸附床结构或具有用于具体工厂要求所需的尺寸和维度的容器。当模块化吸附床单元也被制成紧凑时，由于所需吸附材料的量减少，可以获得额外的节约和设计灵活性。

本发明的吸附床结构还一起带来模块化紧凑设计的这些优点：利用了小的入口空隙体积、大的床正面区域以及短的床深（转移长度）。它把这些因素一起带入了模块化和可伸缩吸附床和容器设计，所需吸附剂总量降低、工厂设备更小并因此尺寸更小。与从传统充填床所获得的相比，紧凑结构还提供了每单位体积的吸附材料具有更高的产品能力（即增加的吸附剂利用率）。通过任选地提供与较短的床深结合的非常大的流动区域（正面区域）以促进优选循环工艺中的更快的循环，本发明可以显著降低吸附床中的压力降。

发明内容

本发明提供了一种用于吸附基（adsorption-based）气体分离工艺中的吸附床结构的新颖模块化紧凑设计并且特别适用于循环工艺例如压力摆动吸附（PSA）、真空摆动吸附（VSA）和真空压力摆动吸附（VPSA）工艺。模块化紧凑设计由个体模块吸附床单元构成，其可以相连、层叠或以其它方式结合以形成可变尺寸和形状的吸附床结构。如上所述，在吸附基气体分离工厂中使用模块化和紧凑吸附床单元可以实现显著的基建费用节省。模块化紧凑设计产生更小的模块化吸附床单元，与大体积的传统吸附床相比，其能够使吸附材料装载更容易。根据需要，模块化紧凑设计还利于增加床的正面区域并减小床的深度。

模块化紧凑设计的一种额外好处是用最小的努力和停机时间来改变已经使用中的吸附工厂的吸附床结构的能力。每个模块化吸附床单元可以在野外被填充、安装或替换，被运送的新模块化吸附床单元可以已经充填有吸附材料并且可以随时安装。

根据本发明，用包含多个模块化吸附床单元的吸附床结构来代替气体分离工厂中使用的传统充填吸附床。与从使用传统吸附材料的传统充填吸附床所获得的相比，这些模块化吸附床单元提供每单位吸附材料体积具有更高的气体产品能力（即增大的吸附剂利用率），成为先进高品质吸附材料的保证。通过使用更短的床深以及任选增加的流动区域，它们还提供了通过吸附床结构的显著减小的压力降。

在本发明的一个实施例中，多个模块化吸附床单元相连以形成吸附床结构而无需单独的壳体或外壳。优选的实施例具有大致圆柱形设计，其紧凑并且易于以低成本进行构造。最后，本发明涵盖由多个模块化吸附床单元构成的吸附床结构以及模块化吸附床单元自身。

在另一个实施例中，提供了一种吸附床结构，用于吸附剂基气体分离工艺，该吸附床结构包括多个模块化吸附床单元，每个模块化吸附床单元具有：