一种渐进式固体和流体逆流接触装置及其操作方法与流程

本发明涉及固体—流体接触操作领域。更具体而言，本发明涉及固体与流体之间的渐进式逆流接触，该渐进式逆流接触可应用于蓄热式换热器、离子交换装置以及吸附/解吸装置。

背景技术：

1、某些类型的工艺设备内的填料在运行一定时间后需要进行再生或更新。此类设备可包括蓄热式换热器、蓄热式热氧化器、移动床（模拟移动床或真实移动床）化学反应器/色谱分离器、吸附/解吸柱、离子交换柱以及再生式空气除湿器。所采用的再生方法包括使设备主体旋转，或者对多个阀门进行切换，以使设备填料的不同区段在不同时间与不同种类的流体接触。本发明旨在优化多种工艺过程中的固体/流体连续逆流操作。

2、对于热量或物质从一物相传递至另一物相的连续操作，逆流操作通常比并流操作或错流操作具有更高的效率。当两相均为流体且彼此不互溶时，由于流体易于泵送和流动，该系统能够较容易地实现逆流操作。

3、当一种物料为固体而另一种物料为流体时，实现逆流流动则较为困难，这是因为使固体在容器内移动或者将固体从一个容器输送至另一个容器可能会产生机械困难并降低运行效率。

4、授予fredrik ljungström的美国专利第1,746,598号公开了一种旋转式空气预热器，该空气预热器使蓄热材料在圆柱形床层中旋转。热烟气流经床层的一半，而冷空气流经床层的另一半并被加热。据报道，该技术累计节省了4,960,000,000吨石油，并被美国机械工程师学会认定为第44项国际机械工程历史标志。

5、授予rossiter和riley的美国专利第5,676,826号公开了一种采用旋转阀将流体物流引入接触装置以及从接触装置导出的流体—固体接触装置。该设计的流体—固体接触装置包括多个容纳固体的腔舱，所述腔舱安装于一转台上。尽管该设计能够实现固体与流体之间的逆流接触，但是当腔舱尺寸较大且重量较重时，装载有多个腔舱的转台可能会产生机械困难。

6、美国专利第6,431,202号公开了一种旋转阀，该旋转阀相对于美国专利第5,676,826号所公开的装置具有机械结构方面的改进，但仍需要使用转台。

7、美国专利申请第2012/0111435号公开了一种无转台旋转式流体分配器设计。然而，该设计的机械结构较为复杂，并且在处理大流量流体时较为笨重。

8、美国专利第8,985,151号公开了一种无需使用转台进行流体分配和流向控制的旋转式流体分配装置。然而，该专利所公开的固体—流体接触方式主要为错流，而非真正的逆流。

9、美国专利第11,738,286号、第11,083,980号和第10,589,190号公开了多种旋转式流体分配装置。所述逆流装置利用转子将流体引导至多个固定柱子中。通过转子的作用，可在组合式吸附/解吸循环或者组合式加热/冷却循环中实现流体与固体之间的逆流流动。所述装置不仅能够基于多个串联柱子实现固体—流体逆流流动，而且能够沿各个单独柱子的长度方向实现固体—流体逆流流动。

10、上述逆流装置需要复杂的流体通道以及大量管道和容器。复杂的流体通道在某些情况下会造成流体相的高压降，并且由于大量管道和容器中存在非操作容积而略微降低运行效率。本文所称的“非操作容积”是指管道内部的容积，以及容器顶部和底部不含固体蓄热介质或储质介质的开放空间的容积。

11、本发明的一个目的在于提供一种能够最大限度地降低流体压降和非操作容积，并实现固体与流体之间真正逆流接触模式的装置。本发明的另一个目的在于实现装置内蓄热介质或储质介质的渐进式更新，从而能够使用较少量的储存介质来达到相同的运行效率。本发明的还有一个目的在于：在换热器应用中，减小高温区段与低温区段之间所需的密封面积；或者在吸附应用中，减小吸附区段与解吸区段之间所需的密封面积。

技术实现思路

1、本发明提供一种渐进式固体和流体逆流接触装置及其操作方法，所述装置包括用于进行传热操作或传质操作的两个通道，以及多个容纳固体蓄热介质或固体储质介质的固体块。所述装置设有一种推动机构，用于使所述固体块在所述两个通道之间往复移动。

2、本发明提供一种渐进式固体和流体逆流接触装置，所述装置包括两个平行通道。所述两个平行通道的内部容积中容纳有多个用于传质或传热的固体块，并且所述两个平行通道的端部在所述两个平行通道的两侧分别对齐。所述多个固体块在所述两个平行通道内依次排列。另外还有一中间区段在一侧连接所述两个平行通道，另一中间区段在相对的另一侧连接所述两个平行通道。所述多个固体块也包括占据所述第一中间区段的一个固体块以及占据所述第二中间区段的另一个固体块。有一组推杆分别设置于所述两个平行通道的相应端部。所述推杆通过所述第一中间区段和所述第二中间区段，将固体块从一个平行通道推送至另一个平行通道。另一组推杆分别设置于所述两个平行通道的相应端部，沿着两个中间区段之间的两个平行通道各自的长度方向推动固体块。

3、在一个实施方式中，所述多个固体块具有无孔侧面框架以及供流体流过的多孔内部。所述固体块可在其前端和后端设置筛网。所述固体块可包括颗粒状固体材料。

4、在一个实施方式中，所述固体块包括固体材料组件。所述固体材料组件可选自由以下材料：钢板、钢丝网、钢纤维、陶瓷板、陶瓷蜂窝体、塑料板、塑料条和塑料纤维。

5、在一个实施方式中，所述两个平行通道以及所述两个中间区段共同形成矩形结构。所述第一组推杆沿彼此相反且相互平行的方向设置，并且所述第二组推杆沿彼此相反且相互平行的方向设置。

6、在一个实施方式中，所述固体流体逆流接触装置具有设置于所述两个平行通道中的第一通道的一端的第一入口，以及设置于所述第一通道的相对另一端的第一出口，从而使工艺物流能够从所述第一入口流经所述第一通道并流出所述第一出口。第二入口设置于所述两个平行通道中的第二通道的一端，第二出口设置于所述第二通道的相对另一端，从而使再生物流能够从所述第二入口流经所述第二通道并流出所述第二出口。所述工艺物流的流动方向与所述再生物流的流动方向彼此相反且相互平行。

7、在一个实施方式中，所述多个固体块中的每一个均具有宽度和深度，或者具有直径。所述两个平行通道中的每一个均具有与固体块的宽度或直径基本相等的内部宽度，使得所述固体块基本填充所述通道的宽度，并防止流体从所述固体块外壁与所述通道之间流过。所述第一中间区段和所述第二中间区段中的每一个均具有与固体块的深度基本相等的内部宽度，使得所述固体块基本填充所述中间区段的宽度，并防止流体从所述固体块与所述中间区段之间流过。

8、在一个实施方式中，所述第一中间区段和所述第二中间区段的长度大于固体块的宽度，以防止流体经由所述固体块的多孔内部发生泄漏。

9、本发明还提供一种渐进式固体和流体逆流接触的操作方法，所述方法包括以下步骤：

10、提供一环形通道，所述环形通道包括第一平行通道、第二平行通道以及将所述第一平行通道与所述第二平行通道连接的第一中间区段和第二中间区段；将多个固体块布置于所述环形通道内，所述多个固体块与所述环形通道紧密配合；使工艺物流流经所述第一平行通道，其中，所述工艺物流流经所述多个固体块；使再生物流流经所述第二平行通道，其中，所述再生物流流经所述多个固体块；以及使所述多个固体块沿所述环形通道移动，并且所述多个固体块的移动方向与所述工艺物流的流动方向相反。

11、在一个实施方式中，所述方法还包括将多个推杆设置于所述环形通道的拐角处，并通过依次操作所述多个推杆来实现所述多个固体块的移动。

12、在一个实施方式中，所述环形通道的内部能够容纳n个固体块，但实际在所述环形通道的内部只布置n−2个固体块。

13、在一个实施方式中，所述多个固体块具有无孔侧面框架以及供流体流过的多孔内部。所述多个固体块可包括颗粒状固体材料，并且所述多个固体块的前端和后端可设置用于截留所述颗粒状固体材料的筛网。

14、在一个实施方式中，所述固体块可包括固体材料组件。所述固体材料组件可选自由以下材料组成的组：钢板、钢丝网、钢纤维、陶瓷板、陶瓷蜂窝体、塑料板、塑料条和塑料纤维。

15、在一个实施方式中，所述工艺物流为用于传热操作的高温流体物流，或者为用于传质操作的含富集目标物质的物流。

16、在一个实施方式中，所述再生物流为用于传热操作的低温流体物流，或者为用于传质操作的含贫量目标物质的物流。

17、与现有技术相比，本发明提供的一种渐进式固体和流体逆流接触装置及其操作方法，利用多个固体块将储质介质或蓄热介质输送至传质操作或传热操作的两个相对侧。所述多个固体块以顺时针或逆时针的循环方式渐进地被推送通过两个通道。来自第一流体的热能或物质组分被传递进第一通道内的固体块，并储存在所述固体块内部的固体储存介质中。该固体块被逐个推送至第二通道。在所述第二通道中，储存在固体块内的能量或物质组分被释放至第二流体。在第二通道中释放能量或物质组分之后，所述固体块被推回至第一通道，从而持续进行传热循环或传质循环。在两个通道内都可实现流体与固体之间的逆流流动，完成组合式吸附/解吸循环或者组合式加热/冷却循环。