一种吸附分离提纯工业气体的装置.pdf

一种吸附分离提纯工业气体的装置，包括上多通道旋转阀，下多通道旋转阀，n个吸附塔，吸附塔的出口管道和入口管道分别连接一对对应的上阀体的上接口和下阀体的下接口；一个电机带动上阀芯和下阀芯转动，上阀芯的连通上阀体产品气出口的上对接口和下阀芯的连通下阀体原料气进口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道；上阀芯的盲口和下阀芯的连通下阀体解吸气出口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道。这种装置优点有：结构简化紧凑，吸附塔可大幅度缩小；一台电机同轴带动两个多通道旋转程控阀，实现多台吸附塔吸附和解吸切换控制，速度大大提高；适用对不同组份原料气的分离与提纯。

1、  一种吸附分离提纯工业气体的装置，包括：
(1)一个由上阀体和上阀芯组成的上多通道旋转阀，上阀体有n个上接口，上阀芯有至少两个内通道和n个与上阀体n个上接口对应的上对接口，其中n-2个上对接口有内通道互通，一个上对接口有内通道连通上阀体的一个产品气出口，还有一个上对接口为盲口，上阀体的产品气出口连接产品气管道；
(2)一个由下阀体和下阀芯组成的下多通道旋转阀，下阀体有n个下接口，下阀芯有至少两个内通道和n个与下阀体n个下接口对应的下对接口，其中n-2个下对接口有内通道互通，一个下对接口有内通道连通下阀体的一个原料气进口，还有一个下对接口有内通道连通下阀体的一个解吸气出口，下阀体的原料气进口连接原料气管道，下阀体的解吸气出口连接解吸气管道；
其特征在于：还包括
(3)n个吸附塔，每个吸附塔的出口管道和入口管道分别连接一对对应的上阀体的上接口和下阀体的下接口；
(4)一个电机，同轴带动上阀芯和下阀芯转动，所述上阀芯的连通上阀体产品气出口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体原料气进口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道；所述上阀芯的为盲口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体解吸气出口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道；
上述n为等于或大于2的自然数。

2、  根据权利要求1所述的吸附分离提纯工业气体的装置，其特征在于所述吸附塔内装填有活性氧化铝、硅胶、分子筛、活性碳中的一种或多种吸附剂。

3、  根据权利要求1所述的吸附分离提纯工业气体的装置，其特征在于，所述的自然数n取2至12中的任何一个。

4、  根据权利要求1所述的吸附分离提纯工业气体的装置，所述的产品气管道设有调节阀。

5、  根据权利要求1所述的吸附分离提纯工业气体的装置，其特征在于所述的原料气压力在0.01MPa.G～10MPa.G范围，解吸气压力在-0.09MPa.G～0.5MPa.G范围。

一种吸附分离提纯工业气体的装置
[技术领域]
本发明涉及一种高效、紧凑、高速的变压吸附分离提纯工业气体的装置。
[背景技术]
目前，在国内外公开的专利文献或报道资料中，所涉及的传统变压吸附分离提纯工业气体的技术的吸附切换速度都较慢(切换周期通常为600～3600秒)，且都需要多台程控阀(6台以上，甚至上百台)来进行吸附过程的切换。这样的传统变压吸附气体提纯装置由于吸附切换速度慢，单位时间内吸附剂的吸附和再生次数少，使得吸附剂的利用效率低下，从而导致吸附剂用量大、吸附塔体积大，投资高；传统变压吸附技术由于需要多台程控阀才能实现其工艺过程，因此控制系统也复杂，故障率高。
为此，就需要新的高效分离提纯工业气体技术以实现变压吸附装置的小型化和降低装置投资。
[发明内容]
本发明的目的就是提供一种高效、紧凑、高速的变压吸附分离提纯工业气体技术，可实现变压吸附快速进行，减少装置投资和占地。
本发明采用下列技术方案是：
一种吸附分离提纯工业气体的装置，包括：
(1)一个由上阀体和上阀芯组成的上多通道旋转阀，上阀体有n个上接口，上阀芯有至少两个内通道和n个与上阀体n个上接口对应的上对接口，其中n-2个上对接口有内通道互通，一个上对接口有内通道连通上阀体的一个产品气出口，还有一个上对接口为盲口，上阀体的产品气出口连接产品气管道；
(2)一个由下阀体和下阀芯组成的下多通道旋转阀，下阀体有n个下接口，下阀芯有至少两个内通道和n个与下阀体n个下接口对应的下对接口，其中n-2个下对接口有内通道互通，一个下对接口有内通道连通下阀体的一个原料气进口，还有一个下对接口有内通道连通下阀体的一个解吸气出口，下阀体的原料气进口连接原料气管道，下阀体的解吸气出口连接解吸气管道；
其特征在于：还包括
(3)n个吸附塔，每个吸附塔的出口管道和入口管道分别连接一对对应的上阀体的上接口和下阀体的下接口；
(4)一个电机，同轴带动上阀芯和下阀芯转动，所述上阀芯的连通上阀体产品气出口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体原料气进口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道；所述上阀芯的为盲口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体解吸气出口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道和入口管道；
上述n为等于或大于2的自然数。
本发明的工作原理是：两个多通道旋转阀的阀芯由一台电机带动同步驱动，顶部多通道旋转阀和底部多通道旋转阀的工位一一对应，实现两个多通道旋转阀的内部通道快速同步切换，每旋转一周(360°)各吸附塔轮流工作，过程都是相同的，只是吸附与解吸的过程相隔两个工位而已。在每个工位位置，旋转阀都会停留1～60秒，这期间，原料进气管道会通过底部多通道旋转阀内的通道与特定的吸附塔(正在吸附的吸附塔)接通，而解吸气管道会与另外某个特定的吸附塔(正在解吸的吸附塔)接通；同时，产品气管道也会通过顶部多通道旋转阀内的通道与正在进原料气、处于吸附状态的吸附塔接通；而没有与任何原料进气管道、产品气管道、解吸气管道接通的吸附塔，则通过顶部多通道旋转阀内的通道相互接通进行压力的均衡。当多通道旋转阀的阀芯旋转到下一工位时，原先通过底部多通道旋转阀和顶部多通道旋转阀分别与原料气管道和产品气管道接通处于吸附过程的上述吸附塔就会与原料气管道和产品气管道断开，改变为通过多通道旋转阀内的其他通道与其他吸附塔接通进行压力均衡，待多通道旋转阀旋转到该吸附塔与解吸气管道接通的工位时，该吸附塔就进行解吸操作。当多通道旋转阀旋转一周(360°)又回到起始工位时，该吸附塔又再次与原料气管道(通过底部多通道旋转阀)和产品气管道(通过顶部多通道旋转阀)接通。该吸附塔就又开始了下一个“吸附—解吸”循环。
当该吸附塔完成了从进原料气到排除解吸气的一个“吸附—解吸”循环过程时，其它吸附塔也恰好完成了同样的一个“吸附—解吸”循环过程，而对应的旋转阀也恰好旋转了一周(360°)。
从理论上说，只要多通道旋转阀有足够的接口，本发明所配吸附塔可以不受限制，但是受目前可以应用的多通道旋转阀限制，吸附塔的数量一般不超过12个。
这种吸附分离提纯工业气体的装置主要优点有：
1)只有两个多通道旋转程控阀，比传统变压吸附装置的数十甚至上百个程控阀而言，大为简化，装置可靠性高、结构紧凑。
2)吸附和解吸的速度大大提高，因此吸附塔可大幅度缩小。
3)用一台电机即可实现多台吸附塔(2～12台)的吸附和解吸切换控制，控制系统简单、可靠、投资省。
4)本发明中的吸附塔内可装填活性氧化铝、硅胶、分子筛、活性碳中的一种或多种吸附剂，对不同组份混合原料气进行分离与提纯。当原料气是含氢混合气体时，产品气就是高纯氢气，氢气纯度可以达到99～99.999％，解吸气就是除氢以外的其他组份；当原料气是空气时，产品气就是氧气，而解吸气就是富氮气；当原料气是沼气时，产品气就是高浓度CH₄(浓度80～99％)，解吸气就是富CO₂气；当原料气是煤层气时，产品气就是含甲烷很少的低热值空气，解吸气就是高浓度CH₄(浓度30～99％)；当原料气是富含CO₂的混合气时，产品气就是脱碳气，而解吸气就是富CO₂气(CO₂浓度30～99％)。对于不同的原料气而言，装置本身都是相同的，只是吸附塔内装填的吸附剂种类不同而已。
[附图说明]
图1是本发明应用2个吸附塔的示意图。
图2是本发明应用3个吸附塔的示意图。
图3是本发明应用4个吸附塔的示意图。
图4是本发明应用12个吸附塔的示意图。
[具体实施方式]
下面结合本发明的实施例和附图作详细说明。
见图1所示本发明技术方案中n取2，即有二个吸附塔1和2的实施例一。一个由上阀体和上阀芯组成的上多通道旋转阀02，上阀体有2个上接口，上阀芯有2个与上阀体2个上接口对应的上对接口，上阀芯的一个内通道为互通内通道，一个内通道连通1个上对接口和上阀体的产品气出口，还有一个上对接口为盲口，上阀体的产品气出口连接产品气管道04。
一个由下阀体和下阀芯组成的下多通道旋转阀01，下阀体有2个下接口；下阀芯有2个与下阀体2个下接口对应的下对接口，下阀芯一个内通道为互通内通道，一个内通道连通1个下对接口和下阀体的一个原料气进口，还有一个内通道连通另1个下对接口和下阀体的一个解吸气出口，下阀体的原料气进口连接原料气管道05，下阀体的解吸气出口连接解吸气管道06。
2个吸附塔1、2的出口管道U1、U2和入口管道D1、D2分别连接对应的上阀体的上接口和下阀体的下接口。
一个电机03，同轴带动上阀芯和下阀芯转动，所述上阀芯的连通上阀体产品气出口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体原料气进口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔的出口管道U1或U2和入口管道D1或D2；所述上阀芯的为盲口的上对接口和所述下阀芯的连通下阀体解吸气出口的下对接口呈对应关系并同时接通同一个吸附塔出口管道U2或U1和入口管道D2或D1。
本发明采用的多通旋转阀是现有技术中的球阀，并不是本发明的创新特征。根据需要上阀芯、下阀芯的内通道可以设置4至6个，阀芯内通道设置因连通功能不同而有所不同，一般技术人员根据功能要求可以确定或选用合适的阀芯内通道方案，故不一一列举图示说明。
在本实施例一中，设定电机03轴处于起始位置，上阀芯连通上阀体产品气出口与吸附塔1的出口管道U1，上阀芯的盲口对着吸附塔2的出口管道U2；下阀芯连通吸附塔1的入口管道D1和原料气管道05，下阀芯同时连通吸附塔2的入口管道D2和解吸气管道06，此时，吸附塔1处于吸附过程，吸附塔2处于解吸过程。0.01～10.0MPa.G相对高压的原料气经原料气管道05进入下多通道旋转阀01后，从下阀芯与吸附塔1的入口管道D1接通的一个内通道进入吸附塔1，在相对高压下，吸附塔1中的吸附剂将特定的组份即解吸气吸附下来，剩余的气体组份即产品气则从吸附塔1的出口管道U1进入上多通道旋转阀02，由上阀芯的一个内通道进入产品气管道04，经过调节阀07稳定压力后送出。此时，出口管道U2受到上阀芯盲口的封闭，吸附塔2内已经过均衡降压的被吸附剂吸附的组份，在-0.09MPa.G～0.5MPa.G相对低压下解吸出来，形成解吸气从吸附塔2的入口管道D2退出，经过下阀芯另一个内通道从解吸气管道06排出。
电机03轴转动一个角度，上阀芯的互通内通道连通吸附塔1的出口管道U1和吸附塔2的出口管道U2，两塔进入均衡降压过程。
电机03轴再转动一个角度，上阀芯连通上阀体产品气出口与吸附塔2的出口管道U2，上阀芯的盲口对着吸附塔1的出口管道U1；下阀芯连通吸附塔2的入口管道D2和原料气管道05，下阀芯同时连通吸附塔1的入口管道D1和解吸气管道06，此时，吸附塔2处于吸附过程，吸附塔1处于解吸过程。此时吸附与解吸过程与上一次相同，只是吸附塔1和吸附塔2的工作过程作了轮换。
电机03轴再转动一个角度，上阀芯的内通道连通吸附塔2的出口管道U2和吸附塔1的出口管道U1，两塔又一次进入均衡降压过程，只是上阀芯连通吸附塔1出口管道U1和吸附塔2出口管道U2的上对接口作了轮换。
如上所述，通过控制电机不断地旋转多通旋转阀01和02，吸附塔1和吸附塔2交替实现吸附—解吸过程，工作过程完全相同，从而实现原料气的连续分离与提纯。每旋转一周，两个吸附塔刚好都完成一遍同样的吸附—解吸过程。
见图2所示本发明技术方案中n取3，即有三个吸附塔1、2和3的实施例二。增加一个吸附塔3，相应增加上阀体的上接口、上阀芯的上对接口和下阀体的下接口、下阀芯的下对接口；吸附塔3的出口管道U3、入口管道D3与上阀体、下阀体的连接关系和吸附塔1、2相同；所不同的是上阀芯、下阀芯的内通道有所不同。
在本实施例二中，电机轴每旋转一周(360°)，在均衡降压过程中，上阀芯的内通道连通二个吸附塔。就每个吸附塔而言，工作过程完全相同。相对高压(0.01～10.0MPa.G)的原料气经原料气管道05进入多通旋转阀1后，通过控制电机的旋转位置可使原料气与D1接通进入吸附塔1，在相对高压下，吸附塔1中装填的特定吸附剂将特定的组份吸附下来，剩余的气体组份(称为产品气)则从吸附塔1的出口管道U1进入上多通道旋转阀02，此时电机的旋转位置恰好使吸附塔出口管道U1经过上多通旋转阀02与产品气管道04相连接，因此产品气就进入产品气管道04，经过调节阀07稳定压力后送出；此时，另一个吸附塔(设定为吸附塔2)处于解吸过程，还有一个吸附塔(设定为吸附塔3)轮空。通过继续转动电机，改变多通旋转阀的工作位置，就可以改变管道的接通关系，使吸附塔1的出口管道U1关闭而处于解吸过程(不与任何管道通)，而入口管道D1则通过下多通道旋转阀01与解吸气管道06接通，使吸附塔1内的气体经解吸气管道06排出，吸附塔1的压力下降，被吸附剂吸附的组份在相对低压(-0.09MPa.G～0.5MPa.G)下解吸出来，形成解吸气；此时，另一个吸附塔(设定为吸附塔3)处于吸附过程，还有一个吸附塔(设定为吸附塔2)轮空。在吸附塔1由吸附过程转为解吸过程的中间工位，上多通道旋转阀02上阀芯的内通道连通二个吸附塔1、3进行均衡降压。
通过控制电机不断地旋转多通道旋转阀01和02，就可以使吸附塔1、2、3交替实现以上的吸附—解吸过程，从而实现原料气的连续分离与提纯。每旋转一周(360°)，所有的吸附塔刚好都完成一遍同样的吸附—解吸过程。
见图3所示本发明技术方案中n取4、即有四个吸附塔1、2、3和4的实施例三。增加一个吸附塔4，相应增加上阀体的上接口、上阀芯的上对接口和下阀体的下接口、下阀芯的下对接口，吸附塔4的出口管道、入口管道与上阀体、下阀体的连接关系和吸附塔1、2、3相同，所不同的是上阀芯、下阀芯的内通道有所不同。
在本实施例三中，电机轴每旋转一周(360°)，只是在每次的均衡降压过程中，上阀芯和下阀芯的内通道还是连通其中的两个吸附塔。就每个吸附塔而言，工作过程完全相同。相对高压(0.01～10.0MPa.G)的原料气经原料气管道05进入多通旋转阀1后，通过控制电机的旋转位置可使原料气与D1接通进入吸附塔1，在相对高压下，吸附塔1中装填的特定吸附剂将特定的组份吸附下来，剩余的气体组份(称为产品气)则从吸附塔1的出口管道U1进入上多通旋转阀02，此时电机的旋转位置恰好使吸附塔出口管道U1经过上多通旋转阀02与产品气管道04相连接，因此产品气就进入产品气管道04，经过调节阀07稳定压力后送出，此时，一个吸附塔处于解吸过程，另二个处于均衡降压过程。通过继续转动电机，改变多通旋转阀的工作位置，就可以改变管道的接通方向，使吸附塔1的出口管道U1关闭(不与任何管道通)，而入口管道D1则通过下多通旋转阀01与解吸气管道06接通，使吸附塔1内的气体经解吸气管道06排出，吸附塔1的压力下降，被吸附剂吸附的组份在相对低压(-0.09MPa.G～0.5MPa.G)下解吸出来，形成解吸气。
吸附塔2、3、4和吸附塔1的工作过程完全相同，通过控制电机不断地旋转多通旋转阀1和2，就可以使吸附塔1、2、3、4交替实现以上的吸附—解吸过程，从而实现原料气的连续分离与提纯。每旋转一周(360°)，所有的吸附塔刚好都完成一遍同样的吸附—解吸过程。
依照实施例三的办法，可以逐个增加到12个吸附塔，相应增加上阀体的上接口、上阀芯的上对接口和下阀体的下接口、下阀芯的下对接口，吸附塔的出口管道U1-U12、入口管道D1-D12与上阀体、下阀体的连接关系相同，所不同的是上阀芯、下阀芯的内通道有所不同。从四个吸附塔开始，每增加一个吸附塔，只是在均衡降压过程中，上阀芯的内通道连通吸附塔数量增加一个。就每个吸附塔而言，工作过程完全相同。
受目前可以应用的多通道旋转阀限制，吸附塔的数量一般不超过12个。
见图4所示本发明技术方案中n取12，即有十二个吸附塔的实施例四。相对高压(0.01～10.0MPa.G)的原料气经原料气管道05进入多通旋转阀1后，通过控制电机的旋转位置可使原料气与D1接通进入吸附塔1，在相对高压下，吸附塔1中装填的特定吸附剂将特定的组份吸附下来，剩余的气体组份(称为产品气)则从吸附塔1的出口管道U1进入多通道旋转阀02，此时电机的旋转位置恰好使吸附塔出口管道U1经过上多通道旋转阀02与产品气管道04相连接，因此产品气就进入产品气管道04，经过调节阀07稳定压力后送出。通过继续转动电机，改变多通道旋转阀的工作位置，就可以改变管道的接通方向，使吸附塔1的出口管道U1关闭(不与任何管道通)，而入口管道D1则通过下多通旋转阀01与解吸气管道06接通，使吸附塔1内的气体经解吸气管道06排出，吸附塔1的压力下降，被吸附剂吸附的组份在相对低压(-0.09MPa.G～0.5MPa.G)下解吸出来，形成解吸气。
吸附塔2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和吸附塔1的工作过程完全相同，通过控制电机不断地旋转多通道旋转阀01和02，就可以使吸附塔1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12交替实现以上的吸附—解吸过程，从而实现原料气的连续分离与提纯。电机轴每旋转一周(360°)，所有的吸附塔刚好都完成一遍同样的吸附—解吸过程。