CN111375292B - 一种高纯度气体制取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高纯度气体制取装置。该装置整体外形结构呈圆柱状或正多边形体状；沿气体流动方向，所述装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器。本发明通过模块化地设计原料气控制分配器、膜分离模块与吸附分离模块，将膜分离与吸附分离技术设备实现了一体化；通过原料气控制分配器分层设计与进气管的转动程序控制，实现了对原料气依次通过膜分离与吸附分离模块的控制。本发明装置保证了膜分离模块与吸附分离模块的周期性工作与再生，使膜与吸附剂床层各自的特点与净化功能得到了充分发挥。

Description

一种高纯度气体制取装置
技术领域
本发明涉及气体分离领域，特别是涉及一种制取高纯度气体的设备。
背景技术
高纯度气体（一般指摩尔纯度大于99.9%）制取可采用塔器分离、膜分离、吸附分离等技术。为了得到高纯度的气体，如氢气、甲烷、氧气等。塔器分离一般会采用大量的塔顶液相回流或低温吸收液去除杂质气体，此过程中，大量液相回流或冷却吸收液都会消耗大量能源，由于装置能耗高的原因，目前利用塔器分离制取高纯度气体已较少使用；通过膜分离得到高纯度气体，一般需要两级甚至更多级数提纯才能实现，由于多级膜分离串联使用导致装置成本高，现场较少采用；采用吸附分离技术能够制取高纯度的气体，但是，当原料气体中目标组分浓度较低时，装置成本会很高，从而限制了其使用范围。
目前，当原料气体中目标气体组分含量较高或制取气量较少时，一般会选择采用吸附分离技术直接制取高纯度气体。当原料气体中目标组分含量低且要求制取的气量较大时，会选择将原料气体先通过膜分离装置进行粗提纯，粗提纯后的气体再进入吸附分离装置制取高纯度气体。CN201410220994.8所述就是将膜分离与吸附分离技术组合应用到炼厂干气回收氢气的过程中；CN201410221040.9所述则是将深冷分离（采用塔器分离）与膜分离技术组合用于炼厂干气中氢气与C2组分的回收。
上述专利与目前现场采用的高纯度气体制取组合技术，都是将现有的两种或多种技术根据物料性质进行前后连接组合，并没有改变装置本身结构。
发明内容
本发明提供了一种将膜分离与吸附分离技术集合到一体的高纯度气体制取装置，同时对两种技术的装置结构与工艺过程进行了创新设计。
本发明的技术方案如下：
一种高纯度气体制取装置，整体外形结构呈圆柱状或正多边形体状；沿原料气到产品气方向，所述装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器；
所述的原料气控制分配器包括原料气进气管、原料气缓冲盘和原料气分配盘；所述原料气缓冲盘的进气侧端面为封闭结构，出气侧包括2n个缓冲区，n为整数；所述缓冲区在缓冲盘上呈凹槽状，各缓冲区围绕圆柱或正多边形体的中心设置，且在朝向中心处开口（2n个开口彼此隔离且不相通），用于接收来自原料气进气管的原料气；所述原料气进气管贯穿原料气缓冲盘设置；原料气进气管在贯穿原料气缓冲盘（部分）的管壁上设置开口，该开口与原料缓冲区的开口相对应；所述原料气分配盘覆盖于原料气缓冲盘的出气侧端面，二者固定连接，使原料气缓冲区成为2n个彼此隔离的区域，原料气只能通过分配盘上的贯通孔进入对应的膜块单元；
所述的膜分离模块包括膜分离壳体、两端的膜管支撑板、固定于膜管支撑板之间的若干膜管组件、膜管组件分区隔板，所述膜管组件分区隔板将膜管组件分为2n个膜块单元，2n个膜块单元与2n个原料气缓冲区上下位置相对应；
所述的吸附分离模块包括吸附分离模块壳体、支撑板、吸附剂床层和吸附分区隔板，吸附分区隔板将吸附剂床层分隔为2n个吸附单元，2n个吸附单元与2n个膜块单元上下对应；吸附剂床层的另一端与产品气控制器固定连接；
所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的吸附剂床层相对应，并保持相通。
进一步的，所述的原料气进气管与原料气缓冲盘之间为活动连接，原料气进气管可以转动。因此，本发明的装置还可以包括驱动装置，所述驱动装置与原料气进气管之间固定连接，以用于驱动原料气进气管按照设定的程序转动或停止。
所述原料气进气管上开口的面积大小不大于相对应的缓冲盘上缓冲区用于接收原料气开口的面积。所述原料气进气管的末端为封闭结构，且其末端与原料气缓冲盘的出气端端面平齐。
所述的原料气分配盘上分布有若干贯通孔，所述的若干通孔分为2n个分区，分别与2n个膜分离模块相对应。所述原料气分配盘上的贯通孔，一般呈扇形分布，用于将经过缓冲区的原料气均匀分配到膜分离模块中。
所述膜分离模块进气侧的模板支撑板上分布有若干孔，所述的若干孔分为2n个区，分别与2n个原料气分配缓冲区相对应，并互通。
所述的膜分离模块中，膜分离模块进气侧的膜管支撑板与所述原料气分配盘采用同一构件或结构。
所述的膜分离模块壳体在对应2n个膜块单元的位置分别设置有渗余气排出口。
所述的膜分离模块壳体与所述的吸附分离模块壳体均采用圆筒或正多边形体结构。所述的膜分离模块与吸附分离模块同轴设置。
所述的膜分离模块，用于原料气体的粗提纯。所述膜分离模块设置的膜组件可以是无机膜或者是有机膜。无机膜适用于原料气中带液、含有酸性气体或温度压力变化时可能产生凝液的情况。无机膜可以采用中空分子筛膜，如碳分子筛、LTA分子筛、DDR分子筛膜等。有机膜适用于原料气中不带液、温度压力变化不会使原料或产品气产生凝液的情况。有机膜一般为中空纤维膜。
所述的膜分离模块，中空分子筛膜管封装在圆柱状壳体内，封装分子筛膜管的圆柱壳体下端与进入膜分离模块气体控制分配器连接，分子筛膜管被均分为2n个区块，每个区块包含有等量中空分子筛膜管。
所述的吸附分离模块壳体在对应2n个吸附单元的位置分别设置解吸气排出口，用于解吸程序中排出解吸气。
所述的吸附分离模块中，吸附剂被封装在圆柱状壳体内。圆柱壳体下端与膜分离模块的上端相连接，连接处设有与原料气分配盘类似结构的气体分配盘，圆柱壳体上端与产品气控制器连接。吸附剂通常被均分为2n个区块，每个区块能处理的气体量相同。
上述膜分离模块中均分的分子筛膜管区块数与吸附分离模块中均分的吸附剂区块数目相等。
上述吸附分离模块，用于将膜分离制得的粗提纯气体进一步提纯获得高纯度的气体。根据粗提纯气体中杂质组成，吸附分离模块中可分层堆填吸附各种杂质的吸附剂，一般包括活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛、活性炭等。
进一步的，所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的吸附剂床层相对应，并保持相通。所述的产品气排放口，用于控制产品气的排出与吸附床层内部的压力。
本发明的装置还可以包括中心轴，所述的膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器均通过中心轴安装孔套装于所述中心轴上。中心轴的设置，用于实现制取装置的快速安装与检修。
本发明的高纯度气体制取装置，可以广泛用于高纯度气体的制取领域。如可以用于制取高纯度的氩气、氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。
与现有技术相比，本发明的高纯度气体制取装置具有如下优点：
1、通过模块化的设计原料气控制分配器、膜分离模块与吸附分离模块，将膜分离与吸附分离技术设备实现了一体化。
2、通过原料气控制分配器分层设计与进气管的转动程序控制，实现了对原料气依次通过膜分离与吸附分离模块的控制。同时，保证了膜分离模块与吸附分离模块的周期性工作与再生，使膜与吸附剂床层各自的特点与净化功能充分发挥。
3、对膜分离与吸附分离的一体化创新设计，有效减少设备占地面积与重量，为高纯度气体的制取提供了一种经济高效的设备与技术。
附图说明
图1为本发明所述高纯度气体制取装置结构示意图。
图2为原料气控制分配器示意图。
图3为原料气进气管结构示意图。
图4为膜分离模块结构示意图。
图5为吸附分离模块结构示意图。
图6为产品气控制器结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明所述高纯度气体制取装置进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
下面结合附图对本发明所述高纯度气体制取装置做进一步说明，如图1至图6所示，本发明提供一种高纯度气体制取装置，所述装置包括原料气进气管1，原料气控制分配器2，膜分离模块3，吸附分离模块4，产品气控制器5，装置中心轴6。
所述的原料气控制分配器2包括原料气缓冲盘201，原料气分配盘202。
所述原料气缓冲盘201上设有凹槽型原料气缓冲区203，同时凹槽设有朝向中轴、用于接收来自进气管原料气的开口204（开口数与缓冲区数相等，且相互隔离），原料气分配盘202上设有贯通孔205。
所述的原料气分配盘202覆盖于原料气缓冲盘201之上，使得原料气只能通开口过204进入缓冲区203，再由缓冲区经过分配盘上的贯通孔205均匀分配进入膜分离模块3。
所述的贯通孔205一般设置为扇形排布，可以使原料气均匀地分配到膜分离模块3的膜管外侧。
所述的原料气进气管1处于中轴位置，在进气管上设有开口101，用于将原料气通过开口204分配至缓冲区203，仅有开口101与一个开口204对应时，原料气进入相应的缓冲区，再依次进入对应的膜分离与吸附分离模块，在开口101所不对应的缓冲区中没有原料气进入。
所述的膜分离模块3，包括膜组件301、膜组件分区隔板302、膜组件安装壳体303、进气端膜管支撑板305、出气端膜管支撑板306和位于安装壳体（上）底部的渗余气排出口304（渗余气排出口的数目与膜组件分隔区的块数相等）。进气端膜管支撑板305可以采用与原料气分配盘完全相同的结构，且其设置的贯通孔亦与原料气分配盘202的贯通孔一一对应。或者，进气端膜管支撑板305与原料气分配盘202采用同一构件。出气端膜管支撑板306与膜组件安装壳体303边缘密封连接，其上设置若干贯通孔，若干贯通孔与膜组件301的出气口一一对应。
所述的吸附分离模块4，包括吸附剂床层401、吸附剂床层分区隔板402、吸附剂床层壳体403、吸附剂模块分配盘405、位于吸附剂床层壳体403（上）底部的解吸气排出口404（解吸气排出的数目与吸附剂床层分隔区块数相等）。吸附剂模块分配盘405可以采用与出气端膜管支撑板306完全相同的结构，且其设置的贯通孔亦与膜分离模块出气端板上的贯通孔一一对应。或者，吸附剂模块分配盘405与出气端膜管支撑板306采用同一构件。
所述的产品气控制器5包括产品气出口501和装置中心轴安装孔502。
本发明所述高纯度气体制取装置，从下而上顺序为，原料气进气管1、原料气控制分配器2、膜分离模块3、吸附分离模块4和产品气控制器5，上述部件或模块都为圆柱状或正多边形体，且均安装在中心轴6上。中心轴6可以实现装置的快速安装与检修。
所述膜分离模块3与吸附分离模块4分隔为相等的区块数2n（n为整数），区块数最少为2。
所述的产品气控制器5位于装置最顶部，产品气出口501数目与吸附分离模块区块数相等，用于控制产品气的排出与吸附床层内部的压力。
下面简单描述所述高纯度气体制取装置的工作过程，以膜分离模块和吸附分离模块均分为4个区块为例进行说明，所述高纯度气体制取装置工作时包括如下步骤：
（1）、启动装置，原料气体经进气管1，由联通的开口101与204，进入原料气缓冲区203，最后经过分配盘上202上的孔205进入膜分离模块。膜分离模块下端密封，原料气进入膜分离模块的壳程，透过膜组件进入膜管内部，透过膜管的气体为粗提纯气体，未透过的为渗余气体。
（2）、粗提纯气体经由与原料气分配盘类似的气体分配器后，进入吸附分离床层，此时工作的吸附分离床层为与膜分离模块中工作的区块相对应。经吸附分离床层得到的高纯度气体通过产品气出口501离开装置。
（3）、当一个区块的吸附分离床层达到吸附峰值后，通过转动原料气进气管1，使其上的开口101与下一个原料气缓冲区203的开口204联通，重复进行1、2步骤可得到连续高纯度气体。
（4）、在每一个膜组件区块有原料气体通过的同时，其渗余气都通过渗余气排出口304排出装置。
（5）、在每一个吸附剂床层区块完成吸附后，经过另一膜组件区块得到的粗提纯气体开始进入另一个吸附剂床层区块时，吸附剂床层开始降压并通过产品气出口501排出床层中吸附的高纯度产品气体，用于给解吸后的吸附剂床层吹扫再生。
（6）当吸附剂床层释放出所吸附的高纯度产品气体后，关闭产品气出口501，打开解吸气排出口404，完成解吸后的床层接通另一吸附完成的床层中吸附的高纯产品气体进行吹扫再生，进一步利用产品气升压，准备好下次吸附流程。

Claims (15)

1.一种高纯度气体制取装置，整体外形结构呈圆柱状或正多边形体状；沿气体流动方向，所述装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器；
所述的原料气控制分配器包括原料气进气管、原料气缓冲盘和原料气分配盘；所述原料气缓冲盘的进气侧端面为封闭结构，出气侧包括2n个缓冲区，n为整数；所述缓冲区在缓冲盘上呈凹槽状，各缓冲区围绕圆柱或正多边形体的中心设置，且在朝向中心处开口，用于接收来自原料气进气管的原料气；所述原料气进气管贯穿原料气缓冲盘设置；原料气进气管在贯穿原料气缓冲盘的管壁上设置开口，该开口与原料缓冲区的开口相对应；所述原料气分配盘覆盖于原料气缓冲盘的出气侧端面，二者固定连接，使原料气缓冲区成为2n个彼此隔离的区域，原料气只能通过分配盘上的贯通孔进入对应的膜块单元；
所述的膜分离模块包括膜分离壳体、两端的膜管支撑板、固定于膜管支撑板之间的若干膜管组件、膜组件分区隔板，所述膜组件分区隔板将膜管组件分为2n个膜块单元，2n个膜块单元与2n个原料气缓冲区上下位置相对应；
所述的吸附分离模块包括吸附分离模块壳体、吸附剂模块分配盘、吸附剂床层和吸附分区隔板，吸附分区隔板将吸附剂床层分隔为2n个吸附单元，2n个吸附单元与2n个膜块单元上下对应；吸附剂床层的另一端与产品气控制器固定连接；
所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的催化剂床层相对应，并保持相通。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，膜分离模块进气侧的膜管支撑板与所述原料气分配盘采用同一构件或结构。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的原料气进气管与原料气缓冲盘之间为活动连接，原料气进气管可以转动。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原料气进气管上开口的宽度不大于相对应的缓冲区在圆心处开口的宽度。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动原料气进气管按照程序转动。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的膜分离模块与吸附分离模块同轴设置。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜分离壳体在对应2n个膜块单元的位置分别设置有渗余气排出口。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的原料气分配盘上分布有若干贯通孔，所述的若干贯通孔分为2n个区，分别与2n个膜分离模块相对应。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜分离模块进气侧的模板支撑板上分布有若干孔，所述的若干孔分为2n个区，分别与2n个吸附分离单元相对应，并互通。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的吸附分离模块壳体在对应2n个吸附单元的位置分别设置解析气排出口。
11.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括中心轴，所述的膜分离模块、所述吸附分离模块和产品气控制器均套装于所述中心轴上。
12.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜分离模块壳体、吸附分离模块壳体为圆筒状结构。
13.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原料气进气管的末端封闭。
14.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲区在朝向中心处的2n个开口彼此隔离且不相通。
15.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，膜分离模块的出气端膜管支撑板与吸附剂模块分配盘采用同一组件。
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