CN100574851C - 空气净化的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种气体净化单元，该单元包含气体净化容器(12)和至少一个进口管道构件(18，20，34)，其用于将原料气源(16)与气体净化容器(12)连接，以及出口管道构件(36，22，24)，其用于将气体净化容器(12)与至少一个下游气体处理单元例如低温空气分离***连接。每个所述进口管道构件和出口管道构件都包含至少两条并联排布的辅助管和一条公共管(34，36)，每条辅助管与各自的公共管(34，36)流体连通并具有流量控制阀(18，20，22，24)，该流量控制阀与其它或另一独立的辅助管的流量控制阀(20，18，24，22)一致地操作。本发明的优点之一是使用至少两个一致地操作的阀门提高单元的耐用性。此外，可以将至少两个较小的阀门用于替代单个较大的阀门，这也提高***的耐用性，因为较小的阀门本身就比较大的阀门更可靠。

Description

空气净化的装置和方法
技术领域
本发明涉及气体净化单元。本发明特别用于低温空气分离***上游的空气净化。典型地，将本发明与吸附过程联合使用，例如变温吸附过程(“TSA”)或变压吸附过程(“PSA”)。
背景技术
在使进料气体经历下游处理时，可能常常期望或需要在这种处理之前从进料气体去除某些组分。例如，当要在较低温度例如低温过程中处理该混合物时，必须除去可能存在于进料气体如空气中的高沸点物质如水和二氧化碳。如果不除去沸点较高物质，它们可能在随后的处理中液化或固化，在下游过程中引起压降、流动困难或其它缺陷。危险的例如***性物质应当在进一步处理进料气体之前除去，从而降低在后序过程中聚集并由此引起危险的风险。烃类气体例如乙炔可能引起这种危险。
在空气分离过程中，通常用主空气压缩机(“MAC”)将空气压缩，将所得压缩空气冷却并供给分离器，在此将冷凝水除去。可以将该压缩空气进一步冷却，例如用冷冻的乙二醇。在这个步骤中通过冷凝和分离冷凝物除去大部分水。然后通常将所得基本上无水的空气供给吸附过程，在此通过吸附除去要从空气中除去的组分，然后供给空气分离单元。在空气处理中，通常通过在将空气供给下游分离过程之前使该空气穿过优先吸附水和二氧化碳的单一吸附层或独立的吸附层，而先将水后将二氧化碳除去。
已知几种方法用于通过在固体吸附剂上吸附而从原料气除去不期望的组分，包括TSA和PSA方法。在这类方法中，通常采用并联排布的两层(或多层)吸附剂床，当一层附剂床处于再生而“离线”时，其它或另一床层运转用于吸附。然后在运转周期内周期性地改变床层的角色。吸附床在吸附步骤期间称为“在线”。
在TSA方法中，吸附步骤生成吸附热，经吸附床给下游进程造成热脉冲。允许该热脉冲在进料或在线期间行进超出吸附剂床层的下游端。吸附后，从吸附剂床层关闭原料气流，然后将床层减压。然后将吸附剂暴露于热再生气流，通常是来自下游过程的废物流或其它气体，该步骤将吸附的物质从吸附剂剥除，如此将其再生用于进一步使用。再生通常以与吸附步骤逆流的方向进行。然后将床层再加压就绪以重复吸附步骤。
PSA***通常包含一种循环，其中床层在线、然后减压、再生然后在返回在线之前再加压。减压包括释放加压气体并生成通常称之为“转换损失”的消耗。在PSA***中，再生气体的压力低于原料气。正是这种压力的变化被用于从吸附剂除去所吸附的组分。然而，与TSA***中所采用的例如2-20小时相比，该***的循环时间通常较短，例如15-30分钟。
通常经由包含管线和流量控制阀的进口管道构件将待净化的气体供给气体净化单元，例如含有至少一层吸附床的容器。类似地，经由包含管线和流量控制阀的出口管道构件将已净化的气体移出气体净化单元。如果进口管道构件或出口管道构件之一的流量控制阀失灵，那么穿过气体净化单元的气体流量将受到限制(如果阀在部分开启的位置失灵)或阻止(如果阀在关闭位置失灵)，由此减少或完全停止流过单元的气体通过量。
已知在控制阀失灵的情形中旁路设置控制阀。例如，DE-C-19506760披露了一种PSA***，其中吸附单元的出口端经公共管与至少四条压力平衡或吹扫管连接，这些管与采用开启/关闭阀的吸附单元隔离。对压力平衡或吹扫管的控制通过公共管上的第一控制阀进行。旁路管上有与第一控制阀并联排布的反向控制阀，从而，即使在第一控制阀失灵的情形中，PSA过程的“连续操作”也是可以的。
必须与单元的容量成比例地设置进出气体净化单元的管的流速，以使适宜的气流流过单元。因而，随之必然是较大的气体净化单元需要直径比进出较小气体净化单元的管更大的管。
流量控制阀的尺寸必须适于与其相关的管的尺寸。常常将蝶阀用于控制流过进出气体净化单元管的气流。大的蝶阀，例如金属圆盘直径100cm，需要有力的致动器来开启和关闭阀门。在气体净化单元吸附剂床层吸附/脱附循环期间，该致动器不仅必须能够在开启和关闭位置之间移动大的金属圆盘，而且还必须能够迅速和经常地移动。例如，在PSA过程中，阀门必须能够在约1或2秒钟内从全开位置移到关闭位置。作为轴承、底座或圆盘失灵的结果，这种有力的致动器易于损坏。因而，当阀门尺寸增加时，阀门的耐用性下降。此外，当阀门尺寸增加超出特定尺寸时，阀门的成本不成比例地增加。
因而，本发明优选实施方式的一个目标是提高阀门的耐用性，该阀门用于控制进出气体净化单元例如具有至少一层吸附床的容器的气流。此外，本发明优选实施方式的另一目标是降低与气体净化单元相关的资金和操作成本。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种气体净化单元，该单元包含气体净化容器(12，14)和至少一个用于将原料气源与气体净化容器(12，14)连接的进口管道构件，以及用于将气体净化容器(12，14)与至少一个下游气体处理单元连接的出口管道构件，每个所述进口管道构件和出口管道构件都包含至少两条并联排布的辅助管和一条公共管(34，36，46，54)，每条辅助管与各自的公共管(34，36，46，54)流体连通并具有流量控制阀(18，20，22，24，26，28，30，32)，其中原料气体的流量控制阀(18，20，26，28)为控制原料气体流向气体净化单元的流量控制阀，净化气体的流量控制阀(22，24，30，32)为控制净化气体流出气体净化单元的流量控制阀，所述流量控制阀各自分别地与另一个辅助管的流量控制阀一致地操作，其中每条辅助管的直径小于公共管(34，36，46，54)的直径，并且每个流量控制阀(18，20，22，24，26，28，30，32)的流量小于公共管(34，36，46，54)的流量。
进口管道构件或出口管道构件的流量控制阀“一致地”操作，这意味着它们相互关联地操作，从而每个阀同时并同相地开启或关闭。流量控制阀可以相互直接机械连接或者可以各自受控。
这种排布的一个优点在于：如果一个阀门失灵(如果它在符合常规操作的至少部分开启的位置失灵而被迫关闭)，那么通过净化单元的总气体通过量没有损失，这提高了该单元的操作效率。各个阀门都同时失灵的可能远远小于单个阀门失灵的可能。这样，提高了单元的耐用性，这与普遍持有的当***中的组件数目增加时***的耐用性下降的理念相反。
具有多个吸附床层的气体净化单元的流量控制阀通常并不被运行以提供可变的气体流量。而是，通常将它们操作为“转换阀”，也就是说它们或者全开或者全关操作。
在优选实施方式中，每条辅助管的直径小于公共管的直径，并且每个流量控制阀的流量小于公共管的流量。本领域公知较小的阀本身就比较大的阀更可靠。因而，不仅通过采用两个阀提高耐用性，而且在优选实施方式中，通过采用较小的阀进一步提高耐用性。此外，与使用较大的阀相比，使用较小的阀大大节省了资金和操作成本。
辅助管的总横截面积通常至少等于公共管的横截面积。对于给定的气体净化容器，这种排布提供进出容器体的总气体流量，该流量至少等于相应于采用常规进口或出口管道构件的气体流量。
气体净化单元可以包含具有本发明多阀排布的进口管道构件或出口管道构件。然而，在优选实施方式中，气体净化单元同时包含这种进口和出口管道构件。
优选公共管将辅助管与气体净化容器连接。在这种实施方式中，该单元可以进一步包含上游供应管，该供应管与进口管道构件的每个辅助管流体流动连通。供应管的直径大约与公共管的直径相同。附加地或可替换地，该单元可以进一步包含下游出口管，该出口管与出口管道构件的每个辅助管流体流动连通。出口管的直径大约与公共管的直径相同。
上述气体净化单元特别适用于空气净化。这种空气净化单元包含通常包含至少一层吸附剂床的空气净化容器，用于从空气除去例如二氧化碳和/或水的组分。
根据本发明的第二方面，提供一种气体净化***，该***包含至少两个并联且相互流体流动连通的根据第一方面的气体净化单元。这种气体净化***可以用于净化低温空气分离单元上游的空气。在这些实施方式中，每个气体净化单元都是空气净化单元。
根据本发明的第三方面，提供一种低温空气分离***，该***包含根据第二方面的气体净化***和至少一个下游低温空气分离单元，所述气体净化***与所述低温空气分离单元流体流动连通。
根据本发明的第四方面，提供一种净化用于低温分离的空气的方法，该方法包含：
将空气供给根据第一方面的气体净化单元；
在所述气体净化单元中净化所述空气，生成净化空气；以及
将净化空气供给至少一个低温空气分离单元，所述方法的特征在于：
流向气体净化单元的原料空气由一致操作的至少两个并联的控制原料空气流向气体净化单元的流量控制阀18、20、26、28控制，和/或
从气体净化单元流出的净化空气由一致操作的至少两个并联的控制净化空气流出气体净化单元的流量控制阀22、24、30、32控制。
根据本发明的第五方面，提供根据第一方面的至少一个气体净化单元在TSA过程中的用途，用于净化空气。
根据本发明的第六方面，提供根据第一方面的至少一个气体净化单元在PSA过程中的用途，用于净化空气。
借助实施例并参照附图，以下是对本发明目前的优选实施方式的描述。
附图说明
附图中：
图1是本发明第一方面的第一实施方式的示意图，作为包含两个并联的空气净化单元的空气净化***的部分；
图2是图1中所示实施方式的示意图，作为包含三个并联的空气净化单元的空气净化***的部分。
具体实施方式
参照图1，空气净化***10包含两个空气净化容器12，14。每个容器包含至少一层吸附材料(未示出)床，当第一容器12在线吸附来自空气的组分时，第二容器14离线进行其吸附剂的再生。再生完成后，两个容器的角色颠倒，第一容器12离线再生，第二容器14变成在线吸附。重复这种循环以保持连续净化过程。
吸附/再生循环包括将待净化的空气经由管线16引入***10。当第一容器12在线时，第一和第三对空气流量控制阀18，20和22，24开启，而第二和第四对空气流量控制阀26，28和30，32关闭。将空气经管线16供给第一对阀18，20。该空气流被分成两等份，第一份流过阀18，第二份流过阀20。然后将这两部分再组合并经由管线34供给第一空气净化容器12。空气流过第一容器12内的吸附材料，而水和/或二氧化碳经吸附除去。将实质上无二氧化碳的空气经管线36从第一容器移出并分成两等份。第一份流过阀22，第二份流过阀24。将这两部分混合，净化空气经管线38从净化***移出。将该净化空气供给低温空气分离***(未示出)。
在第一容器12在线期间，通过再生气流量控制阀44将再生气经管线40供给第二容器14。再生气流量控制阀42关闭，将第二容器14中的吸附材料(未示出)再生，并将用过的再生气经由管线46从第二容器14移出。开启再生气流量控制阀48，此时再生气流量控制阀50处于关闭，将用过的再生气经由管线52从***移出。
为了使第一容器12离线而使第二容器14在线，关闭空气流量控制阀18，20和22，24并开启空气流量控制阀26，28和30，32。关闭再生气流量控制阀44，48并开启再生气流量控制阀42，50。将减压管线56用于在容器体进入其再生阶段之前释放第一容器12(或第二容器14)中的初始压力。它小于再生放空***，为了得到更为受控的压力降低速率从而降低破坏吸附材料的风险。
当第二容器14在线时，第一和第三对空气流量控制阀18，20和22，24关闭而第二和第四对空气流量控制阀26，28和30，32开启。将空气经管线16供给第二对阀26，28。该空气流被分成两等份，第一份流过阀26，第二份流过阀28。然后将这两部分再组合并经由管线46供给第二空气净化容器14。空气流过第二容器14内的吸附材料，二氧化碳经吸附除去。将实质上无二氧化碳的空气经管线54从第二容器14移出并分成两等份。第一份流过阀30，第二份流过阀32。将这两部分混合，净化空气经管线38从净化***移出。将该净化空气供给低温空气分离***(未示出)。
在第二容器14在线期间，通过再生气流量控制阀42将再生气经管线40供给第一容器12。再生气流量控制阀44关闭。将第一容器12中的吸附材料(未示出)再生，并将用过的再生气经由管线34从第一容器12移出。开启再生气流量控制阀50，此时再生气流量控制阀48处于关闭，将用过的再生气经由管线52从***移出。
传统上，进出吸附容器的空气流由单个流量控制阀控制。然而，在本发明示例性的实施方式中，用成对的并联排布的较小流量控制阀替代该单个阀。每对中的两个阀相互关联地操作，从而它们一致地同时都开启或关闭。如果一个阀失灵，那么通常将其强制关闭(如果失灵发生在该阀处于至少部分开启的位置)。然而，此对中的另一个阀还在运转，由此通过吸附容器的空气流量会减少但是不会完全中断。由此尽管具有较大数目的组件，净化***的耐久性也提高。
参照图2，空气净化***210包含三个空气净化容器212，214，216。每个容器包含至少一层吸附材料床(未示出)，并且运转期间，第一和第二容器212，214在线时，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顺沿第二容器214变成在线而第一容器212离线再生。当第一容器212中的吸附材料再生完成后，第一容器212顺沿第三容器216变成在线而第二容器214离线再生。当第二容器214中的吸附材料再生完成后，第二容器214顺沿第一容器212变成在线而第三容器216离线再生。重复这种循环以保持连续净化过程。
将空气经管线217供给净化***，将净化空气经管线242从***移出。将净化空气供给低温空气分离单元(未示出)。将再生气经管线244供给***，而经管线246移去用过的再生气。流量控制阀248，250，252，254，256，258控制穿过净化***的再生气流量，并且以类似于对图1所示两吸附容器***所述的常规顺序周期性地开启或关闭。
第一容器212具有控制进入容器体的空气流量的第一对空气流量控制阀218，220和控制离开容器体的空气流量的第二对空气流量控制阀222，224。两对流量控制阀226，228和230，232控制通过第二容器214的空气流量，两对流量控制阀234，236和238，240控制通过第三容器216的空气流量。每对中的两个阀相互关联地操作，从而它们一致地同时都开启或关闭。如果一个阀失灵(并被强制关闭，如果失灵发生在该阀处于至少部分开启的位置)，通过各自吸附容器的空气流量会减少但是不会完全中断。由此尽管与常规三容器净化***相比具有较大数目的组件，该净化***作为整体的耐久性提高。
贯穿该说明书全文，在表示执行一项功能的行文中术语“部件”意在指经改造和/或构造以实施该功能的至少一种器件。
可以理解本发明不限于以上参照优选实施方式描述的细节，可以进行各种改进和改变而不偏离本发明由以下权利要求限定的精神和范围。

Claims (13)

1.一种气体净化单元，该单元包含气体净化容器(12，14)和至少一个用于将原料气源与气体净化容器(12，14)连接的进口管道构件，以及用于将气体净化容器(12，14)与至少一个下游气体处理单元连接的出口管道构件，每个所述进口管道构件和出口管道构件都包含至少两条并联排布的辅助管和一条公共管(34，36，46，54)，每条辅助管与各自的公共管(34，36，46，54)流体连通并具有流量控制阀(18，20，22，24，26，28，30，32)，其中原料气体的流量控制阀(18，20，26，28)为控制原料气体流向气体净化单元的流量控制阀，净化气体的流量控制阀(22，24，30，32)为控制净化气体流出气体净化单元的流量控制阀，所述流量控制阀各自分别地与另一个辅助管的流量控制阀一致地操作，其中每条辅助管的直径小于公共管(34，36，46，54)的直径，并且每个流量控制阀(18，20，22，24，26，28，30，32)的流量小于公共管(34，36，46，54)的流量。
2.如权利要求1中所述的气体净化单元，其中辅助管的总横截面积至少等于公共管(34，36，46，54)的横截面积。
3.如权利要求1所述的气体净化单元，其中公共管(34，36，46，54)将辅助管与气体净化容器(12，14)连接。
4.如权利要求3中所述的气体净化单元，其中所述气体净化单元进一步包含上游供应管(16)，该供应管与所述进口管道构件的每个辅助管流体流动连通，所述供应管(16)的直径与公共管(34)的直径相同。
5.如权利要求3中所述的气体净化单元，其中所述气体净化单元进一步包含下游出口管(38)，该出口管与出口管道构件的每个辅助管流体流动连通，所述出口管(38)的直径与公共管(36)的直径相同。
6.如权利要求1-5任一项中所述的气体净化单元，其中每个所述进口管道构件和出口管道构件包含两条辅助管。
7.如权利要求1-5任一项中所述的气体净化单元，该气体净化单元为空气净化单元。
8.一种气体净化***(10)，该***包含至少两个并联且相互流体流动连通的权利要求1-7中任一项定义的气体净化单元。
9.如权利要求8中所述的气体净化***(10)，其中，每个气体净化单元都是空气净化单元。
10.一种低温空气分离***，该***包含如权利要求9中所述的气体净化***(10)和至少一个下游低温空气分离单元，所述气体净化***与所述低温空气分离单元流体流动连通。
11.一种净化用于低温分离的空气的方法，该方法包括：
将空气供给如权利要求7中所述的气体净化单元；
在所述气体净化单元中净化所述空气，生成净化空气；以及
将净化空气供给至少一个低温空气分离单元，
所述方法的特征在于：
流向气体净化单元的原料空气由一致操作的至少两个并联的控制原料空气流向气体净化单元的流量控制阀(18，20，26，28)控制，和/或
从气体净化单元流出的净化空气由一致操作的至少两个并联的控制净化空气流出气体净化单元的流量控制阀(22，24，30，32)控制。
12.如权利要求7中所述的气体净化单元在变温吸附过程中的用途，用于净化空气。
13.如权利要求7中所述的气体净化单元在变压吸附过程中的用途，用于净化空气。
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