[19]中华人民共和国专利局
[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号97120854.9
[51]Int.CI6
B01D 53/04B01J 19/18
[43]公开日1998年10月14日[22]申请日97.12.24
[30]优先权
[32]96.12.24 [33]FR [31]9615971[71]申请人液体空气乔治洛德方法利用和研究
有限公司
地址法国巴黎[72]发明人让－伊夫·莱曼 让－皮埃尔·古比尔
[11]公开号CN 1195570A
[74]专利代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标
事务所
代理人何腾云
权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 2 页
[54]发明名称
绝热反应器
[57]摘要
一种用于使气体通过活性材料床来处理气体的绝热反应器,包括一个带有绝热件的圆柱形壳体,绝热件有一个与所述壳体平行的壁,该壁与壳体一起限定出一个充装气体的腔室,所述壁和所述充装气体的腔室处在壳体内,并在壳体和壳体内的活性材料床之间,充装气体的腔室与装有待处理气体的反应器的一部分连通/与装有已处理过的气体的反应器的一部分连通,还包括用于阻止任何气体流过充装气体的腔室的阻挡构件,使待处理的气体与已处理过的气体分开。
97120854.9
权 利 要 求 书
第1/2页
1.一种用于使气体通过活性材料床(15)来处理气体的绝热反应器(1)，这种反应器包括一个带有绝热装置(21)的圆柱形壳体(5)，该绝热装置(21)有一个与所述壳体(5)平行的壁(25)，该壁与壳体一起限定出一个充装气体的腔室(27)，所述壁(25)和所述充装气体的腔室(27)处在壳体(5)内，并在壳体和壳体(5)内的活性材料床(15)之间，其特征在于：充装气体的腔室(27)与装有待处理气体的反应器(1)的一部分连通和/或与装有已处理过的气体的反应器的一部分连通，并且该反应器包括用于阻止任何气体流过充装气体的腔室的阻挡装置(43)，以便使待处理的气体与已处理过的气体分开。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述阻挡构件包括至少一个设置在所述壁(25)和所述壳体(5)之间的隔板(43)。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于该反应器包括使所述充装气体的腔室(27)中的自然对流减少的装置(29)。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于：所述的使所述充装气体的腔室中的自然对流减少的构件(29)包括一块板材(31)一块金属板材，该板材设置在所述壁(25)和壳体(5)之间的充装气体的腔室(27)中，以便获得两个充装气体的腔室(33，35)。
5.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于所述板材(31)相对于所述壁(25)和所述壳体(5)居中。
6.根据权利要求4或5所述的反应器，其特征在于所述板件(31)和所述壁(25)之间的间隔及所述板材(31)和所述壳体(5)之间的间隔为10到40mm之间，优选为20mm。
7.根据权利要求4至6的任一项所述的反应器，其特征在于：反应器包括一些元件(37，39)，具体地说包括一些点状或线状元件，这些元件一方面在所述壁(25)和所述板件(31)之间构成一些隔离件，另一方面在所述板材(31)和所述壳体(5)之间构成一些隔离件。
2
97120854.9权 利 要 求 书 第2/2页
8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于在所述板材(31)和所述壁(25)之间构成的一些隔离件的元件(39)与在所述板材(31)和所述壳体(5)之间构成的一些隔离件的元件(37)偏置。
9.根据权利要求7或8所述的反应器，其特征在于形成隔离件的元件(37，39)最好是在所述的板件(31)上压纹后制成的凹部和突部，特别是这些凹部(39)和突部(37)有一些点状端部。
10.根据权利要求9所述的反应器，其特征在于板件(31)的凹部(39)和突部(37)在板件(31)尺寸的整个长度上与壳体(5)的轴(Y-Y)平行地延伸，板件也与该轴平行，板件的凹部和突部的截面基本为三角形。 11.根据权利要求9或10所述的反应器，其特征在于所述凹部(39)和突部(37)在板件(31)的两面交替出现。
12.根据权利要求1至11的任一项所述的反应器，其中所述壳体(5)延伸到构成圆顶(7)的部件中，其特征在于圆顶至少包括一层，优选包括两层(51，52)施加到圆顶(7)内部的纤维绝热毡(50)。
13.根据权利要求12所述的反应器，用于在变压下运行，其特征在于：纤维毡(50)是陶瓷纤维，纤维毡的防水性和杨氏弹性模量之比小于1s/m。
14.根据权利要求12或13所述的反应器，其特征在于毡(50)的毡或每一层毡(51，52)的厚度为20至30mm之间，优选约为25mm。 15.根据权利要求12至14的任一项所述的反应器，其特征在于利用可拆卸的固定装置(53)将毡(50)的各层固定到圆顶(7)的内部。 16.根据权利要求15所述的反应器，其特征在于所述可拆卸固定装置(53)包括一些安装到圆顶(7)上的杆(54)和一些垫片(58)，这些杆用以穿透毡(50)，所述的垫片(58)用于将毡固定到圆顶上，通过一个内夹构件将垫片与杆(54)啮合。
17.根据权利要求1至16的任一项所述的反应器，该反应器由一个吸附器(1)组成，特别是用于纯化送入空气蒸馏设备中的空气的吸附器，活性材料是一种吸附剂。
3
2
97120854.9
说 明 书
第1/7页
绝热反应器
本发明涉及一种包括一个带有绝热件的圆柱形容器的绝热反应器，具体地说涉及一种用于纯化送入空气蒸馏设备中的空气的吸附器。 空气蒸馏设备通常包括吸附器，使进入设备的高压空气在冷却前得到干燥和除碳处理，然后进入蒸馏塔。为此，通常绝对压力为5巴左右的需处理的空气流过吸附器中的吸附剂床。一旦床失去吸附能力，利用干燥和经除碳的气体对吸附剂进行再生处理。这种气体可以是从蒸馏塔中回收的排气，以逆流方向将该气体喷入到吸附器中。为了提高再生能力，将这种排气加热到约200℃。该吸附器被称之为“TSA(变温吸附)吸附器”，在这种吸附器中，吸附剂的温度进行周期变化。 加热气体以及吸附剂意味着蒸馏设备消耗大部分能量，所以为了减少这种消耗，要求降低吸附器和周围进行的热交换。
由吸附器壁外套组成的绝热件已为众所周知。这种绝热对整个吸附器很有效，但当吸附器的温度周期地进行变化时，就存在一些问题。这是因为，由于吸附器的壁通常是由金属制成的，根据循环周期，这些壁就构成储热器或吸热装置，温度变化后，这种储热器或吸热装置就使稳定状态延迟建立。在再生期间，壁吸收一部分热气体提供的热，所以延迟吸附剂的加热，特别是在靠近壁的地方更是如此。在吸附期间，壁储存热，这样就降低了吸附剂的吸附效果。所以壁的作用与循环不同步，这就大大地减低了吸附器的效果。
对于恒定流速来讲，通过增加吸附器的尺寸和大幅度地减少循环频率，就可以克服这种现象。但是，当前蒸馏设备的发展致力于减少吸附器的尺寸以减少吸附剂量和降低吸附器的成本。由于减少了吸附剂量，所以循环频率也就大大增加了。
为了提高现有吸附器的效率，公知技术是使吸附器设置内绝热件。
4
97120854.9说 明 书 第2/7页
这种内部绝热件必须满足下面的特殊要求：
不能使吸附器壁和吸附剂床之间的气体旁流，以便使需处理气体和已处理过的气体一直分开；
必须经得起循环操作施加的反复加压和反复降压，并能够实现约10巴的压力变化；和
必须承受周期性的水压试验，这通常是工作地区的当局所要求的。 美国专利US-A-3925041提出TSA吸附器设置内绝热件。这种吸附器包括一个垂直设置的圆柱形壳体，壳体两端用分别形成顶和底的椭圆件封住。将吸附剂床设置在圆柱形壳体中。
在吸附剂床的区域内，由刚性绝热板材构成内部绝热件，这些板材头尾相连地贴在壳体上，并把一层纤维绝热材料压到该壳体上。所以该绝热材料处在壳体和吸附剂床之间。为了在运行期间防止气体旁流过该绝热件，将一些金属板材装到壳体上，盖住绝热板材的各边，这样就使气体转向流到吸附剂床中。
此外，用螺钉把纤维绝热材料装到吸附器的圆顶和底的内部构件上。
尽管这种内部绝热件可以大大提高吸附器的性能，但它不适于进行水压试验。其原因在于，这种试验结束后，绝热材料变湿失效。所以必须进行长期艰苦的、费用极大的干燥过程。另外，需花费很长时间才能困难地将绝热板材和金属板材装到吸附剂床区域中，所以只有专业人员才能将这种绝热材料装到吸附器的内壁上。因此已知的这种绝热方法大大增加了吸附器的制造成本。
本发明旨在通过对吸附器进行绝热来解决上述各种问题，以使吸附器满足上述要求，安装费用不高，而且安装也方便。
为此，本发明的目的在于提供一种用于使气体通过活性材料床来处理气体的绝热反应器，这种反应器包括一个带有绝热装置的圆柱形壳体，具体地说，绝热装置有一个与所述壳体平行的壁，该壁与壳体一起限定出一个充装气体的腔室，因此所述壁和所述充装气体的腔室处在壳体内，并在壳体和壳体内的活性材料床之间，其特征在于充装气体的腔室与装
5
97120854.9说 明 书 第3/7页
有待处理气体的反应器的一部分连通和/或与装有已处理过的气体的反应器的一部分连通，并且该设备包括用于阻止任何气体流过充装气体的腔室的阻挡装置，以便使待处理的气体与已处理过的气体分开。 本发明的反应器可以具有下面的一个或多个特征：
所述阻挡装置包括至少一个设置在所述壁和所述壳体之间的隔板； 反应器包括使所述充装气体的腔室中的自然对流减少的装置； 所述的使所述充装气体的腔室中的自然对流减少的装置包括一块板材，特别是一块金属板材，该板材设置在所述壁和壳体之间的充装气体的腔室中，以便获得两个充装气体的腔室； 所述板材相对所述壁和所述壳体居中；
所述板件和所述壁之间的间隔及所述板材和所述壳体之间的间隔为10到40mm之间，优选为20mm；
反应器包括一些元件，具体地说包括一些点状或线状元件，这些元件一方面在所述板材和所述壁之间构成一些隔离件，另一方面在所述板材和所述壳体之间构成一些隔离件；
在所述板材和所述壁之间构成一些隔离件的元件相对于所述板材和所述壳体之间构成一些隔离件的元件偏置；
形成隔离件的元件最好是在所述的板件上压纹后制成的凹部和突部，特别是这些凹部和突部有一些点状端部；
板件的凹部和突部在板件尺寸的整个长度上与壳体的轴平行地延伸，板件也与该轴平行，板件的凹部和突部的截面大体为三角形； 所述凹部和突部在板件的每一面交替出现；
对于具有一个延伸到构成圆顶的部件中的壳体的反应器来讲，反应器至少包括一层，优选的是包括两层粘到圆顶内部的纤维毡； 尤其对于变压运行的反应器来讲，上述纤维毡是陶瓷纤维，纤维毡的防水性和杨氏弹性模量之比小于1s/m；
该层毡或每一层毡的厚度为20至30mm之间，优选约为25mm； 利用可拆卸的固定构件将各层毡固定到圆顶的内部； 所述的可拆卸固定构件包括一些安装到圆顶上的杆和一些垫片，这
62
97120854.9说 明 书 第4/7页
些杆用以穿透各层毡，所述的垫片用于将毡固定到圆顶上，通过一个内夹构件将垫片与杆配合；和
反应器是一种吸附器，特别是用于纯化送入空气蒸馏设备中的空气的吸附器，活性材料是一种吸附剂。
从下面结合附图的描述中可以理解本发明的其它特性和优点，这种描述通过举例给出，但并不是对特征作任何限定，附图中： 图1是沿本发明图2反应器的I-I线作的剖视图； 图2是沿图1反应器的II-II线作的剖视图；和 图3是图1的细节III的放大图。
图1所示的是本发明的反应器1。在该实施例中，反应器1是一种用于对空气蒸馏设备的环境空气进行干燥和除碳的吸附器。 反应器1包括一个沿垂直轴Y-Y设置的圆柱形容器3。容器3由圆柱形壳体5构成，该壳体向上延伸到构成圆顶7的部件和向下延伸到构成底9的部件。圆顶7和底9均为椭圆形或球形。部件5，7和9均由钢材制成。
在反应器的下端，底9有一个中心开口11，在吸附期间，该开口用作需处理气体的入口，而在再生期间，该开口用作出口。
在反应器的上端，圆顶7有一个中心开口13，在吸附期间，该开口用作已处理气体的出口，而在再生期间，该开口用作已加热过的气体的入口。
将吸附剂床15设置在壳体5的内部。该床15包括留在支座19上的吸附剂17，座例如是网，以允许气体流过吸附剂17。吸附剂床15的高度通常为1至1.5m之间，这取决于需处理空气量的多少，床的直径为0.5至5m之间。
为了减少吸附器1在运行期间的能量消耗，吸附器装有内绝热装置21。
绝热件21包括设置在吸附剂17和壳体5之间的第一绝热件23和施加到圆顶7内侧的第二绝热件24。
绝热件23包括一个与壳体5平行并固定到支座19上的圆柱形壁
7
97120854.9说 明 书 第5/7页
25。该壁25限定出一个处在壳体5和壁25之间的充气腔室27。将一个减少自然对流的装置29设置在充气腔室27中，以便减少壳体5和吸附剂17之间的热交换。
在所述的实施例中，装置29包括一个板件31，具体地说该板件是金属板，其厚度约为0.5mm，将该板件设置在壁25和壳体5之间。板件31为圆柱形，板件最好与壁25和壳体5对中，以便得到两个充气腔室33，35。板件31和壁25之间的间隔及板件31和壳体5之间的间隔为10至40mm之间，最好为20mm。
从图2可以看到，反应器包括元件37和39，这两个元件一方面在壁25和板件31之间构成隔离件，另一方面在板件31和壳体5之间构成隔离件，这样就可使板件31定位。
构成隔离件的元件37和39最好是通过在板件31上压纹后构成的内肋和外肋。外肋37和内肋39沿着平行于壳体5的轴在板件31的整个范围内延伸，板件平行于上述垂直轴Y-Y。
肋37与肋39偏置，具体地说，肋37与肋39交替出现。这样按排隔离件可以加长壳体5和吸附剂17之间热传导的传热通道，因而也就减少了壳体和吸附剂之间的换热。
为了进一步减少壳体5和吸附剂17之间的换热，可以减少板件和壳体之间的接触面积及板件和壁之间的接触面积。为此，肋37和39的截面均为具有顶端41和43的三角形。顶端41和43分别顶靠着壳体5和壁25。
从图1可以看到，围绕网19的环形隔板43可封住充气腔室27的下端42。隔极43避免了气体的任何旁流，这样在运行期间，通过开口11或通过开口13进入的气体都必须流过吸附剂床15。
另一方面，充气腔室27的上端44是打开的，这样就可使充气腔室中的压力和吸附器1上端的压力达到平衡。
第二内绝热件24由至少一层，但最好由陶瓷纤维毡50的两层51和52制成，将这两层纤维毡施加到圆顶7上。每层的厚度为20至30mm之间，最好等于25mm。
8
97120854.9说 明 书 第6/7页
为了经受得住吸附器运行循环产生的反复加压和减压，本申请人发现一种能满足吸附器运行循环的需要的毡。这种毡50的防水性约为60000Pa.s/m。一方面，防水性由单位面积毡引起的压降ΔP和大气下的单位气流密度之间的比值限定，另一方面防水性由通过该毡的气体的流速限定。此外，该毡50的杨氏弹性模量E大于4×10Pa，这种毡50具有优良的机械性能。本申请人发现，防水性和扬氏弹性模量之比小于1s/m的毡更适于用在TSA吸附器中，并可以大大减少将毡固定到圆顶壁上的固定点数，而且不影响毡的机械性能。
利用可拆卸的固定构件53将该毡50固定到顶7的内侧，上述固定构件的细节示于图3中。各可拆卸的固定构件包括一个焊接到顶7上并大体与圆顶的壁垂直杆54。杆54穿破毡50的两层51和52，该杆包括利用内夹机构与垫片58啮合的突出件56，以便将毡固定到圆顶7上。
下面描述本发明反应器的运行情况，其中反应器是上述的吸附器。 吸附阶段：
在吸附循环期间，使需处理的空气经开口11进入吸附器1。尚有水和二氧化碳的空气通过吸附剂床15，得到干燥和除碳以后再通过开口13离开吸附器进行纯化。封住充气腔室27下部的隔板43可避免需处理气体旁流过充气腔室。吸附周期的压力通常为高压，例如5巴(绝对压力)。 再生阶段：
当从高压状态变成再生时的大气压力状态时，已经聚集在毡50中及毡和圆顶7之间的空气很容易流出进入反应器1的内部，这是因为毡50的阻力很小。由于对弹性模数进行了选择，所以毡只是稍微升高了一点，并易于恢复其初始状态。
在吸附剂17再生期间，将被加热到200℃左右的约1巴绝对压力的不纯干燥无碳氮气通过开口13喷到吸附器1中。
由于热气体进入到两个充气腔室33和35中，也因为热气体的气体低密度，所以进一步增加了该双层腔室的绝热效果。板件31可以减少自
9
2
6
2
97120854.9说 明 书 第7/7页
由对流引起的流动，所以在壳体5和吸附剂17之间只有极小的热交换。 本申请人发现只需要对圆顶7和吸附剂17之间进行绝热。这就是吸附器1的底9不进行绝热的原因，由此大大地减少了吸附器的费用。 水压试验：
在水压试验期间，因为固定构件53是可拆卸的，所以能方便地卸除毡50。试验结束以后，所需要的只是更换一、二层新毡50，这很便宜，而且非专业人员也能完成。
10
97120854.9
说 明 书 附 图
11
第1/2页
97120854.9说 明 书 附 图 第2/2页
图3
12
