專利名稱：改進(jìn)的變壓吸附法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從混合氣體例如含氧氣和其它可選擇性地吸附的氣體組分的空氣中分離第一氣體例如氧氣的方法。
本發(fā)明的目的是提供一種從諸如空氣的氣體混合物中生產(chǎn)例如氧氣的濃縮的氣體的更有效的變壓吸附法，該方法與使用現(xiàn)有技術(shù)的其它方法相比，在從氣體混合物中生產(chǎn)高純度氣體時(shí)，能以更有效的方式(較低的床尺寸因子)利用吸附劑，且所要求的能量也較少。
變壓吸附法是基于慣用的吸附床材料如沸石對(duì)氣體混合物中的可選擇性吸附氣體與非優(yōu)先吸附的氣體有不同的吸附能力為條件。在一些已知的方法中，將吸附床單元或兩吸附床或三吸附床單元系統(tǒng)中的第一個(gè)這樣的吸附床單元加壓到一高的壓力值，由于每一個(gè)吸附床單元可以包含從供給到的并通過吸附床單元的氣體混合物中除去水和二氧化碳的下部床層和吸附可選擇性吸附氣體的上部或下游床層，于是便產(chǎn)生選擇性地除去水及二氧化碳和選擇性地吸附一種氣體，而加壓的非選擇性吸附氣體不受影響并通過該床單元而到一個(gè)接收裝置，該接收裝置可以是本系統(tǒng)中的第二吸附床單元。在這種情況下，第二吸附床單元被為下一個(gè)循環(huán)進(jìn)入的氣流作準(zhǔn)備的非吸附氣體所加壓。下一個(gè)吸附床單元，即第三吸附床單元或兩床系統(tǒng)中的第一吸附床單元利用貫通供給的中等壓力的廢氣、或來自均壓罐或來自在生產(chǎn)非吸附的濃縮氣體后減壓的吸附床單元的清洗空隙氣的回流或逆流抽空來進(jìn)行清洗。這樣清洗的吸附床單元隨后再加壓并進(jìn)行濃縮氣體的生產(chǎn)。在規(guī)定的時(shí)間期間之后，循環(huán)地使用第二吸附床單元，第一吸附床單元抽空，而第二吸附床單元再加壓。
雖然已對(duì)基本的變壓吸附法循環(huán)的許多變形和改型進(jìn)行了研究，并已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，例如從空氣中生產(chǎn)氧氣，但是這些系統(tǒng)當(dāng)與另一種利用低溫蒸餾的方法相比較時(shí)，對(duì)在大型工廠中生產(chǎn)高純度氧氣來說，一般是低效和不經(jīng)濟(jì)的。因此本發(fā)明的目的是提供一種從空氣中大量生產(chǎn)高純度氧的高效的變壓吸附法，且該方法所要求的能量也較少。
最初的變壓吸附法是由Skarstrom在US2,944,627中公開的，該方法的一個(gè)循環(huán)包括四個(gè)基本的步驟(1)吸附，(2)減壓，(3)清洗和(4)再加壓。Skarstrom循環(huán)已演化出幾種變型。在Wagner的US3,430,418中描述了一種這樣的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中至少需要四個(gè)吸附床來連續(xù)地生產(chǎn)產(chǎn)品氣。由于Wagner系統(tǒng)需設(shè)置四個(gè)吸附床而不是少于四個(gè)吸附床，因此在額外的成本和設(shè)施的復(fù)雜性方面，使得在經(jīng)濟(jì)上失去可行性。
在US3,636,679號(hào)中，Batta公開了一種系統(tǒng)，其中壓縮空氣和產(chǎn)品氧氣(通過另一吸附床進(jìn)行均壓降壓步驟得到)同時(shí)引入在同一吸附床相對(duì)的兩端。Mc Combs在US3,738,087中描述了另一種方法，其中使用兩床系統(tǒng)來進(jìn)一步節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，該方法采用通過將原料空氣引入到部分再加壓吸附床的加壓吸附步驟。在Mc Combs的工作之后，Eteve等在US5,223,004中公開了利用如下步驟的變壓吸附法(1)從循環(huán)的低壓力級(jí)開始，用產(chǎn)品氣逆流加壓到一中間壓力級(jí)，(2)在不放出氣體下，從該中間壓力級(jí)用原料氣并流加壓直達(dá)吸附壓力，(3)生產(chǎn)步驟，其中引入空氣，并流地放出氧氣，(4)通過部分地并流減壓放出氧氣的步驟，其中中止空氣的進(jìn)入，和(5)通過逆流減壓降到循環(huán)低壓力級(jí)的解吸步驟。
在文獻(xiàn)中可發(fā)現(xiàn)最初變壓吸附法循環(huán)的更多的變型。例如，US4,194,891、4,194,892和5,122,164都公開了使用短循環(huán)時(shí)間的變壓吸附法循環(huán)，其中使用較小粒徑的吸附劑以降低擴(kuò)散阻力；Doshi等的US4,340,398使用三床或三床以上的變壓吸附法，其中在吸附床再生前，先將空隙氣輸送到一個(gè)貯罐中，其后，將之用于進(jìn)行再加壓步驟中。此外，在US3,788,036和3,142,547中描述了帶貯罐均壓的兩床變壓吸附法的一種變型，保存的氣體用作另一吸附床的清洗氣。
最近，Tagawa等的US4,781,735公開了利用三個(gè)吸附床生產(chǎn)氧氣的變壓吸附法，通過將一個(gè)床的加料端與另一床的加料端相連接(底一底均壓)，在全部或部分的均壓時(shí)間內(nèi)，于進(jìn)行底一底均壓的同時(shí)進(jìn)行床的頂一頂均壓來實(shí)現(xiàn)提高氧氣的回收率。再者，Knmar等的US5,328,503中描述了使用起始的減壓步驟以提供清洗氣，隨后進(jìn)行任意的床一床加壓均壓步驟的變壓吸附法。按照該專利，至少要用兩個(gè)吸附床，并且利用產(chǎn)品氣和原料氣的組合氣進(jìn)行吸附床的再加壓。
Suh和Wankat(AI Ch EJ.vol.35，p523，1989)公開在變壓吸附法中使用并流一逆流相結(jié)合的減壓步驟。他們指出，對(duì)從空氣中生產(chǎn)氧氣來說，添加并流減壓步驟無益。Liow和Kenny(AI ChE J.vol.36，p53，1990)描述經(jīng)由計(jì)算機(jī)模擬的用于從空氣中生產(chǎn)氧氣的“回填循環(huán)”。他們指出當(dāng)在生產(chǎn)富集的氧氣產(chǎn)品循環(huán)中包括逆流(相對(duì)于原料氣的方向)產(chǎn)品氣的再加壓步驟時(shí)是有益的。
本發(fā)明涉及的是從含第一氣體和一種或幾種包括更優(yōu)先吸附的其它氣體的氣體混合物中分離所述第一氣體例如氧氣的改進(jìn)的變壓吸附法。它包括對(duì)變壓吸附床的同時(shí)均壓和抽空，隨后同時(shí)進(jìn)行原料和產(chǎn)品氣再壓等的新穎的步驟。結(jié)果就形成了100％利用真空泵或減壓機(jī)的總體上更快和更有效的循環(huán)，并使能耗減少了約15％。
本發(fā)明的核心包括重疊變壓吸附法循環(huán)中的各不同步驟以減少總的循環(huán)時(shí)間，因此提高生產(chǎn)率。其它的重要參數(shù)包括操作條件(高壓、低壓、均壓降壓步驟結(jié)束時(shí)的壓力和在產(chǎn)品氣加壓步驟中所使用的高純度產(chǎn)品氣的量)的選擇、每個(gè)步驟中所分配的時(shí)間、在循環(huán)中執(zhí)行每個(gè)步驟的次序，和利用均壓降壓氣為回流和勻壓升壓步驟提供所需要的氣體。循環(huán)中的獨(dú)特的步驟是在對(duì)均壓升壓步驟的吸附床進(jìn)行抽空的同時(shí)，其它的吸附床則進(jìn)行均壓降壓步驟。必須選擇這個(gè)步驟所分配的時(shí)間，使得在該步驟結(jié)束時(shí)，前面的吸附床已被清洗并部分加壓。循環(huán)中的下一個(gè)步驟是在所述吸附床的相對(duì)兩端，用產(chǎn)品氣和原料氣同時(shí)加壓，隨后用原料氣加壓到所要求的吸附壓力。本發(fā)明的其它的主要特征如下(a)在原料氣和產(chǎn)品氣同時(shí)加壓的步驟中所需要的產(chǎn)品氣通常是來自產(chǎn)品氣貯罐，或來自生產(chǎn)步驟中的其它的吸附床；和(b)并流減壓氣或均壓降壓氣若不去到另一吸附床的下游端便去到第二貯罐。在后面的情況下，不需要床一床連通，這有助于對(duì)變壓吸附法的控制更加靈活。


圖1說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的雙吸附床循環(huán)的步驟；圖2是圖1雙床循環(huán)的流程圖；圖3是描述在一個(gè)完整的循環(huán)的各個(gè)步驟期間，在一個(gè)床中壓力的演變的時(shí)間/壓力關(guān)系曲線；圖4是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案設(shè)有床一床連通的雙床循環(huán)的流程圖；圖5是描述圖4系統(tǒng)的循環(huán)中的各步驟；圖6和7是描述本發(fā)明的又一實(shí)施方案的單床法的流程圖和床循環(huán)；和圖8是描述供對(duì)比用的標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)中吸附床循環(huán)的步驟。
本發(fā)明的新穎的方法結(jié)合了變壓吸附法循環(huán)中各操作步驟的新穎次序，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)械(例如壓縮機(jī)和真空泵)的空載時(shí)間減至最小，提高了產(chǎn)品的回收率，床的尺寸因子(BSF)與現(xiàn)有技術(shù)的變壓吸附法循環(huán)相比是相當(dāng)或更小，而能耗比現(xiàn)有技術(shù)的循環(huán)低5-20％。本發(fā)明的變壓吸附法循環(huán)的操作步驟如下(I)將原料氣混合物(例如空氣)和濃縮的產(chǎn)品氣(例如氧氣)在吸附床的相對(duì)兩端同時(shí)引入，以便部分再加壓到一中間壓力級(jí)。在該步驟中，產(chǎn)品氣通常來自產(chǎn)品氣貯罐或來自生產(chǎn)步驟中的其它的吸附床。
(IIa)在步驟2的第一階段，吸附床用原料氣從所述中間壓力級(jí)加壓(并流)到吸附壓力。
(IIb)在步驟2的第二階段，進(jìn)行吸附和總產(chǎn)品氣的生產(chǎn)。
(III)并流減壓，其中氣體直接或通過均壓罐間接輸送到正在同時(shí)加壓和抽空的另一吸附床。在間接操作方式中，并流減壓氣去到第二貯罐。在此情況下，不需要床一床連通。
(IV)對(duì)于兩床變壓吸附法，在一吸附床抽空或減壓(逆流減壓)至廢氣，其它的吸附床同時(shí)進(jìn)行原料氣和產(chǎn)品氣的加壓。
(V)繼續(xù)抽空或減壓至廢氣。這個(gè)步驟與第一吸附床的上述步驟相同。但是其它的吸附床正在進(jìn)行吸附和總產(chǎn)品氣的生產(chǎn)(參見圖1)。
(VI)同時(shí)加壓逆流和抽空，其中通過正進(jìn)行并流減壓(步驟III)的另一個(gè)吸附床或通過來自用作收集并流減壓氣的第二貯罐供給回流氣。
對(duì)于兩床變壓吸附法，上述的各步驟在圖1中示意地示出。關(guān)于這個(gè)循環(huán)還應(yīng)當(dāng)注意五點(diǎn)(a)床-床均壓步驟疊加到清洗步驟上，其中，進(jìn)行均壓升壓的吸附床同時(shí)也被抽空，(b)在再生期間，清洗吸附床所需要的全部回流氣是通過在并流減壓步驟期間(均壓降壓)從另一個(gè)吸附床得到的空隙氣供給，(c)產(chǎn)品氣和原料氣加壓步驟的重疊之后，接著只用原料氣加壓到吸附壓力以達(dá)到較高的產(chǎn)品氣流率，(d)由于個(gè)別步驟的疊加，減少了總的循環(huán)時(shí)間，結(jié)果床的尺寸因子(BSF)較低，和(e)真空泵沒有空載時(shí)間(參見圖1)，即真空泵100％的被利用。
在本發(fā)明新的循環(huán)中，均壓降壓氣為同時(shí)進(jìn)行均壓升壓和抽空的另一個(gè)吸附床提供了所需要的全部氣體。這樣，這個(gè)步驟用清洗步驟重疊在均壓步驟上，由此就改變現(xiàn)有技術(shù)的變壓吸附法循環(huán)中所使用的常規(guī)清洗步驟和均壓步驟。再者，將氮?dú)獠ㄇ巴瞥鑫酱菜枰幕亓鳉馐怯烧M(jìn)行均壓降壓步驟的其它吸附床提供。在這種操作方式中，將低純度的氣體用于合并的清洗和均壓升壓的步驟中。在循環(huán)的下一個(gè)步驟中(產(chǎn)品氣逆流加壓)使用通常來自產(chǎn)品氣罐的高純度產(chǎn)品氣，以在產(chǎn)品端加壓吸附床，而原料氣同時(shí)在該床的另一端加入。個(gè)別步驟的重疊形成了較快的變壓吸附法循環(huán)和氧氣(較低的BSF)的高產(chǎn)率。此外，由于這個(gè)循環(huán)不使用常規(guī)的清洗步驟，所以清洗吸附床就不消耗任何產(chǎn)品氣。同樣，在同時(shí)抽空和均壓升壓期間，在該步驟結(jié)束時(shí)的吸附床的壓力必須高于在前的步驟的壓力(抽空步驟)。因此必須仔細(xì)選擇這個(gè)步驟的進(jìn)氣速率和時(shí)間分配，以使在該步驟結(jié)束時(shí)，該吸附床已經(jīng)清洗和部分加壓。
這樣，本發(fā)明是由將變壓吸附法循環(huán)中不同的步驟重疊以減少總的循環(huán)時(shí)間，因而使生產(chǎn)率、操作條件的選擇(高壓、低壓、均壓降壓步驟結(jié)束時(shí)的壓力和圖1的步驟1中所使用的高純度產(chǎn)品氣的量)、每個(gè)步驟分配的時(shí)間、執(zhí)行循環(huán)中每個(gè)步驟的次序和使用均壓降壓氣提供回流和均壓升壓所需要的氣體都得到改進(jìn)。循環(huán)中獨(dú)特的步驟是步驟III(參見圖1)，其中進(jìn)行均壓降壓步驟的吸附床對(duì)同時(shí)在加壓和抽空的另一吸附床是開放的。必須選擇分配給這個(gè)步驟的時(shí)間，使得在這個(gè)步驟結(jié)束時(shí)，第二吸附床已經(jīng)清洗并部分加壓。循環(huán)中的下一個(gè)步驟是在第二吸附床的相對(duì)兩端用產(chǎn)品氣和原料氣同時(shí)加壓，隨后用原料氣加壓到吸附壓力，如圖3的步驟IIA。
為用本發(fā)明的方法生產(chǎn)氧氣，例如可以進(jìn)行如下步驟(I)在吸附床相對(duì)的兩端引入原料氣和產(chǎn)品氣，進(jìn)行部分加壓，中間壓力級(jí)的值選擇在0.5-1.2大氣壓之間，優(yōu)選約0.9大氣壓，而高壓力級(jí)的值選擇在1.2-2.0大氣壓之間，優(yōu)選約1.42大氣壓，和低壓力級(jí)的值選在0.30-0.45大氣壓之間，優(yōu)選約0.35大氣壓。
(II)在生產(chǎn)步驟期間，壓力可以從約0.9大氣壓(產(chǎn)品氣和原料氣同時(shí)加壓步驟結(jié)束的壓力)的中間壓力級(jí)上升到約1.42大氣壓的吸附壓力。另一方面，在產(chǎn)品氣和原料氣同時(shí)加壓后，進(jìn)行原料氣加壓而不排氣，以達(dá)到吸附壓力，然后打開控制閥，以生產(chǎn)產(chǎn)品氣。在后一種情況下，在生產(chǎn)步驟期間，壓力保持恒定不變。
(III)終止原料氣的輸入，吸附床并流減壓，以回收空隙氣和共吸附在吸附劑上的輕組分。在這個(gè)步驟期間，壓力從約1.42大氣壓的吸附壓力下降到約1.10大氣壓。在這個(gè)步驟中收集的氣體下文中稱之為“空隙氣”。這種氣體可以貯存在第二貯存容器(均壓罐)中或者直接加入同時(shí)進(jìn)行均壓升壓和抽空步驟的另一個(gè)吸附床的產(chǎn)品端。在后者的情況下，在該步驟結(jié)束時(shí)，該吸附床已經(jīng)清洗并部分加壓。這樣，分配給這個(gè)步驟的時(shí)間是極其重要的，因?yàn)橐恍┛障稓庥米骰亓鳉庖詫⒌獨(dú)?重組分)的波前經(jīng)加料端移出吸附床，而其余的空隙氣用作產(chǎn)品氣的部分加壓。在這個(gè)步驟期間，吸附床的壓力從約0.35大氣壓升至約0.60大氣壓。
(IV)和(V)解吸步驟是通過逆流減壓到約0.35大氣壓的低壓力級(jí)的值來進(jìn)行的。
(VI)在這個(gè)吸附床仍然進(jìn)行抽空的同時(shí)，進(jìn)行第一部分加壓。這個(gè)步驟所需要的氣體是從進(jìn)行均壓降壓步驟的另一個(gè)吸附床，或是從第二貯罐獲得，該第二貯罐是用來貯存均壓降壓期間從另一個(gè)吸附床得到的空隙氣。在這個(gè)步驟期間，接收空隙氣的吸附床中的壓力從約0.35大氣壓上升到約0.60大氣壓。
本發(fā)明的基本特征可以通過圖1所示的兩床A和B的變壓吸附法的操作來說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明也可以使用兩床以上的系統(tǒng)和其它的操作條件(例如其它的壓力范圍)。圖2是兩床變壓吸附法的示意圖，其包括圖1中所示的兩吸附床A和B、原料壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)11、真空泵13、產(chǎn)品氣貯罐18和相互連接的管線及閥門。圖3示出在執(zhí)行循環(huán)的不同步驟過程中壓力的演變，該循環(huán)開始于圖1中的步驟6之后。參照?qǐng)D1、2和3，其公開一個(gè)完整循環(huán)的變壓吸附法。圖2的變壓吸附法是由裝填以吸附劑的兩個(gè)吸附床(A和B)組成，每個(gè)床有入口閥33或35，和出口閥34和36。原料入口閥33和35通過鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)11與空氣供應(yīng)管10連接，而排氣出口閥34和36與通往真空泵13的真空排氣管12連接。吸附床的出口管14和15用閥5和6連通到生產(chǎn)管16，并通過控制閥17連接到產(chǎn)品氣貯罐18。如果在循環(huán)中包括清洗步驟的話，那么閥10A和12A可使兩個(gè)吸附床相連通。例如，閥12A開啟時(shí)，允許吸附床A的一部分產(chǎn)品氣作為清洗氣流輸送到吸附床B。同樣，閥10A開啟時(shí)，允許吸附床B的一部分產(chǎn)品氣作為清洗氣洗輸送到吸附床A。出口管14和15通過閥2和4相互連接。圖中的所有閥門都是經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和程序邏輯電動(dòng)地操作。管19與產(chǎn)品氣貯罐連接，經(jīng)閥8和9分別輸送產(chǎn)品氣以對(duì)吸附床B和A進(jìn)行產(chǎn)品氣加壓。
參照?qǐng)D1和2，現(xiàn)在描述兩床系統(tǒng)的新的真空變壓吸附氧氣方法，以說明循環(huán)中每個(gè)步驟中閥門的開啟和關(guān)閉。除了在每個(gè)步驟中指出的那些閥門是開啟外，其他所有的閥門都關(guān)閉。在這個(gè)實(shí)例中，循環(huán)時(shí)間約60秒，壓力在低壓0.35大氣壓和高壓2.0大氣壓之間。
步驟I原料氣(空氣)通過管10和來自貯罐的產(chǎn)品氣(氧氣)同時(shí)引入吸附床相對(duì)的兩端。在吸附床A的情況下，閥33和9開啟以分別使原料氣和產(chǎn)品氣進(jìn)入該吸附床。在此期間，閥36開啟而另一個(gè)吸附床B進(jìn)行抽空。
步驟II在原料氣加壓和總產(chǎn)品氣生產(chǎn)步驟中，閥33和5開啟，吸附床A進(jìn)一步進(jìn)行原料氣加壓?？刂崎y17邏輯程序指令什么時(shí)候這個(gè)閥將啟開以使產(chǎn)品氣從吸附床A進(jìn)入產(chǎn)品氣貯罐18。例如，在生產(chǎn)產(chǎn)品氣步驟期間，如果要求恒壓，那么只有當(dāng)吸附床A達(dá)到預(yù)定的壓力值以允許產(chǎn)品氣進(jìn)入產(chǎn)品氣貯罐時(shí)，控制閥17才開啟。在吸附床A進(jìn)行原料氣加壓和生產(chǎn)產(chǎn)品氣步驟(步驟II)期間，吸附床B經(jīng)閥36進(jìn)行抽空。
步驟III并流減壓。在本發(fā)明的一種形式中，閥33關(guān)閉，閥4開啟，以便從吸附床A回收空隙氣，并將其直接供給吸附床B，使吸附床B部分加壓(吸附床B均壓升壓)、和用作回流氣將吸附床B中的氮?dú)獠ㄇ巴葡蛟摯睟的加料端。在此期間，閥36仍然開啟，因此吸附床B同時(shí)進(jìn)行均壓升壓和抽空。本發(fā)明的另一種形式是收集均壓降壓的空隙氣并貯存在獨(dú)立的貯罐中，以便供給吸附床B。在后者的情況下，床一床連通是不必須的。
步驟IV現(xiàn)在開啟閥34，以便逆流地抽空吸附床A，閥35和8開啟，使得吸附床B從相對(duì)的兩端同時(shí)進(jìn)行原料氣和產(chǎn)品氣加壓。
步驟V在閥34仍然開啟下，吸附床A繼續(xù)進(jìn)行抽空，閥35和8開啟，使得吸附床B用原料氣加壓到吸附壓力。控制閥17邏輯程序便決定什么時(shí)候吸附床B的產(chǎn)品氣應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)品氣貯罐18。
步驟VI閥35關(guān)閉，吸附床B經(jīng)與吸附床A或第二貯罐連接的閥2進(jìn)行減壓。該第二貯罐又為吸附床A提供了高壓的清洗氣。在此期間，閥34仍然位于開啟位置，使吸附床A同時(shí)進(jìn)行均壓升壓和抽空。
基于上述與圖1和2相關(guān)的循環(huán)，通過改變一個(gè)或幾個(gè)步驟便可以做出幾種變型，而不偏離這些步驟的應(yīng)用或一般的功能。例如，逆流減壓步驟IV前可以先進(jìn)行放空直到吸附床的壓力降到1.0大氣壓，然后開始抽空。
利用圖1示出的步驟的圖2的兩床法與圖8所描述的標(biāo)準(zhǔn)方法相比較，可以以低的床尺寸固子和低的能耗生產(chǎn)純度和回收率相當(dāng)?shù)难鯕?。而且在該方法中，循環(huán)的每個(gè)步驟期間，真空泵被一個(gè)吸附床或另一個(gè)吸附床連續(xù)使用。吸附床尺寸的減小和能量的減少可達(dá)到5-20％的范圍。
圖4和5示出了利用產(chǎn)品氣貯罐18和均壓罐20操作兩床變壓吸附法的可供替換的系統(tǒng)。執(zhí)行的各個(gè)步驟包括閥門的開啟和關(guān)閉都與圖2中所描述相似。但是，因使用兩個(gè)貯罐而使該方法有更大的靈活性。例如，圖5所示的循環(huán)中的個(gè)別步驟并不須占有固定的時(shí)間間隔。這樣，物理參數(shù)如壓力和組合物可以容易地用來確定分配給每個(gè)步驟的時(shí)間，由此，通過改變溫度、壓力和可變的產(chǎn)品氣的需求來調(diào)整該方法。由于不需要床-床氣體的轉(zhuǎn)移，因此每個(gè)吸附床可獨(dú)立地運(yùn)行，而且可把該方法看作是單個(gè)吸附床的集合。但是，為了正確地制造壓縮機(jī)和真空泵的尺寸規(guī)格和分用該壓縮機(jī)和真空泵，每個(gè)吸附床的總循環(huán)與其它吸附床的循環(huán)有某些同步是必須的。
雖然本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)先使用在頂部和底部帶有淺盤頭的圓柱形吸附床和軸向流動(dòng)氣體，也可以使用其它的吸附床構(gòu)型。例如，也可以使用徑向吸附床以實(shí)現(xiàn)降低壓力損失及相隨的能耗降低。此外，可以使用在吸附床的不同位置裝填不同的吸附劑的層疊式的吸附床。例如，活性氧化鋁可以置于吸附床的加料端，以從原料氣流中除去水和二氧化碳，Li-X型沸石可以置于活性氧化鋁的上面，以將空氣分離成富氧的產(chǎn)品。
圖4和5的兩床系統(tǒng)與圖1、2、和3的方法及系統(tǒng)相比，有一些改進(jìn)，但是在產(chǎn)品氣的回收率方面，只略有提高。
圖6和7說明了利用產(chǎn)品氣貯罐18和均壓罐20的單床法的使用。為了得到高的機(jī)器利用率，圖6的方法示出了使用單臺(tái)壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)11，執(zhí)行圖7中描述的加壓和抽空步驟。參照?qǐng)D6和7，其簡(jiǎn)略地描述該循環(huán)中的一些步驟。
假設(shè)循環(huán)從同時(shí)用原料氣和產(chǎn)品氣加壓(參看圖6和7)開始，開啟閥9、10和33，而其它的閥門關(guān)閉。閥17是一差壓?jiǎn)蜗蜷y，它只有當(dāng)吸附床C中的壓力大于產(chǎn)品氣貯罐18中的壓力時(shí)才打開，過一些時(shí)間后，關(guān)閉閥9，步驟2開始。在步驟2期間，原料氣加壓經(jīng)閥10和33繼續(xù)進(jìn)行，差壓?jiǎn)蜗蜷y17開啟，產(chǎn)品氣進(jìn)入產(chǎn)品氣貯罐18。在步驟2結(jié)束時(shí)，閥33關(guān)閉，閥36打開使壓縮機(jī)11卸壓。在此期間，吸附床用位于開啟位置的閥4并流減壓，將空隙氣收集入均壓罐20中。應(yīng)注意，在并流減壓步驟期間(步驟III)，由于吸附床C的壓力降至產(chǎn)品氣罐18的壓力以下，單向閥17將在關(guān)閉位置。在步驟III進(jìn)行期間，閥9、10和33位于關(guān)閉位置。當(dāng)步驟III終止時(shí)，閥12和34在開啟位置，而閥4、9、10、17、33和36關(guān)閉。在該步驟(步驟IV)期間，吸附劑床C中的氣體經(jīng)閥34排出，并經(jīng)壓縮機(jī)的入口進(jìn)入壓縮機(jī)。
圖7中描述的下一步驟(步驟V)正好是步驟IV(抽空步驟)的繼續(xù)。用仍在開啟位置的閥12和34進(jìn)行最后步驟(步驟VI)。在該步驟期間，閥4開啟，來自均壓罐20的氣體用作回流氣，解吸吸附的氣體，并部分加壓吸附床C。
雖然只描述了單個(gè)吸附床法的一個(gè)實(shí)例，但是在不偏離本發(fā)明的基本特征下，可以很容易地得到單床法的其它改型。
圖8說明使用現(xiàn)有技術(shù)循環(huán)的常規(guī)的變壓吸附法，其循環(huán)時(shí)間比本發(fā)明的多約10-20％。在該圖中，符號(hào)的意義如下AD＝吸附和總產(chǎn)品氣生產(chǎn)，PG＝清洗，EQ＝均壓和EV＝抽空。
應(yīng)當(dāng)指出，現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)循環(huán)比本發(fā)明的循環(huán)要多消耗能量。本發(fā)明的方法(圖1)與使用相同吸附劑的現(xiàn)有技術(shù)循環(huán)(圖8)相比顯著地降地能耗(大于15％)，與標(biāo)準(zhǔn)的均壓循環(huán)(圖8)相比，本發(fā)明(圖1)循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是允許100％利用真空泵。
雖然在關(guān)于真空變壓吸附氧氣法中已經(jīng)描述了新的循環(huán)，其中示出了本發(fā)明的一些特定的實(shí)施方案，但是其它的一些帶有已公開特征的改型的實(shí)施方案都可設(shè)想成屬于本發(fā)明的權(quán)利要求書的范疇之內(nèi)。例如，新的循環(huán)不只限于跨大氣壓的真空變壓吸附法循環(huán)，而且超大氣壓或低于大氣壓的變壓吸附法循環(huán)也可以使用。因此，在這里和在權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語“加壓”、“高壓力”、“中間壓力”、“減壓”等術(shù)語是作為包括負(fù)壓和正壓等相對(duì)術(shù)語而言的。這樣，在低真空壓力下的氣體相對(duì)在較高真空或負(fù)壓下的氣體來說是“被加壓”或位于“高壓”。此外，該新的循環(huán)可用于其它的氣體混合物的分離中，例如它氣體混合物垃圾填埋氣中分離氮?dú)?甲烷，和其它氣體混合物例如含作為非優(yōu)先吸附的產(chǎn)品氣組分的氫和作為選擇性吸附組分的各種雜質(zhì)的原料氣的分離。這些包括輕烴、一氧化碳、二氧化碳、氨、硫化氫、氬和水。含至少一種這些可吸附組分的富氫原料氣包括催化重整廢氣、甲醇合成回路清洗氣、解離的氨和脫甲烷塔的塔頂氣、蒸汽轉(zhuǎn)化的烴、氨合成回路的清洗氣、電解的氫氣和汞極電池的氫氣。本發(fā)明還可用于從氮或氦是主要成分的氣體混合物中分離某些或全部的上述可吸附的組分。
總的來說，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將清楚地看到，本發(fā)明提供一種從氣體混合物中生產(chǎn)濃縮氣的新的真空變壓吸附法，該方法包括在一個(gè)步驟中，吸附床同時(shí)進(jìn)行均壓和抽空的新步驟，隨后，在另一個(gè)步驟中該吸附床同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品氣和原料氣的加壓，形成了一種總體上更快且更有效的方法，在該方法中，真空鼓風(fēng)機(jī)全時(shí)被利用，而能耗減少約15％。本發(fā)明的方法可以在超大氣壓、跨大氣壓或低于大氣壓的壓力下進(jìn)行，通常應(yīng)用到使用變壓吸附法系統(tǒng)的氣體分離。
應(yīng)當(dāng)理解，前面的描述僅是說明本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以做出各種修改、改進(jìn)和設(shè)計(jì)出其它的工藝條件(例如操作壓力的范圍)。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括所有的這些包涵在附屬的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的修改、改進(jìn)和改變。
權(quán)利要求
1.從含至少一種非優(yōu)先吸附的第一氣體和一種或幾種可選擇性吸附的第二氣體的氣體混合物中分離所述第一氣體的變壓吸附設(shè)備，其特征在于其包括至少一個(gè)吸附床單元，所述吸附床單元內(nèi)裝填有能從處在高壓下的所述氣體混合物中選擇性吸附所述第二氣體的組合物；一個(gè)經(jīng)控制閥與所述吸附床單元的下游端相連通以從所述吸附床單元收集加壓供給的所述第一氣體的接受器裝置；一個(gè)均壓裝置，其通過控制閥將空隙氣排放到所述吸附床單元的下游端以降低其中的壓力并使來自其中的所述第二氣體解吸和減壓；用以經(jīng)控制閥將相對(duì)加壓的氣體混合物輸送到吸附床單元的上游端的壓縮機(jī)裝置；控制所述閥裝置以允許將加壓的氣體混合物輸送到所述吸附床單元的上游端并同時(shí)將來自所述接受器單元的加壓的第一氣體逆流地輸送到所述吸附床單元的下游端以促進(jìn)所述吸附床加壓到高的壓力的控制裝置；當(dāng)所述吸附床單元的壓力超過所述接受器裝置的壓力時(shí)，使來自所述吸附床單元的第一氣體流到所述接受器裝置以收集產(chǎn)生的第一氣體的裝置；在供給到所述吸附床單元的加壓的氣體混合物中止后，使出現(xiàn)在所述吸附床單元的減壓和釋出的殘留的空隙氣通過控制閥進(jìn)入所述均壓裝置的裝置；用來使吸附床單元降到低的壓力且與吸附床單元的上游端相通的減壓裝置；和用以釋放空隙氣的裝置，該裝置將從所述均壓裝置的空隙氣以逆流方向釋放到上述吸附床單元的下游端，以便同時(shí)減壓所述均壓裝置和清洗吸附第二氣體的吸附床單元，由此在向所述吸附床單元再供給加壓氣體混合物前，促進(jìn)所述吸附床單元加壓到一中間壓力，以提供快而更有效的操作循環(huán)。
2.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)相連接的吸附床單元，其中的一個(gè)吸附床單元用作另一個(gè)吸附床單元的均壓裝置，在所述的另一個(gè)吸附床單元用原料氣混合物和第一氣體同時(shí)再加壓前，允許將所述的一個(gè)吸附床單元減壓的同時(shí)，并將所述的另一個(gè)吸附床單元減壓和均壓。
3.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)吸附床單元，每個(gè)吸附床單元連接到包括所述均壓裝置的均壓罐上；和在每個(gè)所述吸附床單元與上述均壓罐之間有所述控制閥，由此避免床一床之間的氣體的直接轉(zhuǎn)移。
4.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)所述吸附床單元，至少其中的一個(gè)吸附床單元在循環(huán)中的任何給定的時(shí)間可被抽空；一個(gè)連續(xù)地運(yùn)行且連接到每個(gè)所述吸附床單元的上游端的減壓真空泵；和用以開啟所述真空泵到被抽空的吸附床單元的連接的控制閥裝置。
5.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述壓縮機(jī)裝置能夠?qū)⒚總€(gè)所述吸附床單元加壓到約1.2大氣壓至約2.0大氣壓之間的高壓力。
6.按權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述壓縮機(jī)裝置能夠?qū)⒚總€(gè)所述吸附床單元加壓到約1.4大氣壓的高壓力。
7.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述減壓裝置能夠?qū)⒚總€(gè)所述吸附床單元減壓到約0.30大氣壓至約0.45大氣壓之間的低壓力。
8.從空氣中生產(chǎn)富氧氣的變壓吸附設(shè)備，其特征在于包括至少一個(gè)吸附床單元，該吸附床單元裝填有在高壓力下能選擇性地吸附所述空氣中除氧氣以外的所有氣體組分的組合物；通過控制閥與所述吸附床單元的下游端連通并用以收集來自吸附床單元供給的加壓氧氣的接受器單元；均壓裝置用以通過控制閥排放空隙氣進(jìn)入所述吸附床單元的下游端以降低其中的壓力，并使所述吸附床單元的所述選擇性吸附的氣體組分解吸和將之從所述吸附床單元抽空；通過控制閥輸送加壓空氣到吸附床單元的上游端的壓縮機(jī)裝置；控制所述控制閥裝置的裝置，其允許將加壓空氣輸送到所述吸附床單元的上游端，且將來自所述接受器單元中的加壓氧氣同時(shí)逆流輸送到上述吸附床單元的下游端，以促進(jìn)所述吸附床單元加壓到一高壓力；當(dāng)所述吸附床單元的壓力超過所述接受器單元的壓力時(shí)，使氧氣從所述吸附床單元流到所述的接受器單元以收集產(chǎn)生的氧氣的裝置；在輸送到所述吸附床單元的加壓空氣中止后，使出現(xiàn)在所述吸附床單元中的減壓和釋出的殘留的空隙氣通過控制閥進(jìn)入所述均壓裝置的裝置；用來使所述吸附床單元減壓到低的壓力且與所述吸附床單元的上游端相通的減壓裝置；和釋放空氣隙的裝置，該裝置將從所述均壓裝置的空隙氣以逆流方向釋放到所述吸附床的下游端，以便同時(shí)減壓所述均壓裝置和清洗所述選擇性吸附氣體組分的吸附床單元，由此在向所述吸附床單元再供給加壓空氣前，促進(jìn)加壓所述吸附床單元到一中間壓力，以提供快而更有效的操作循環(huán)的裝置。
9.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)吸附床單元，每個(gè)所述吸附床單元與組成所述均壓裝置的均壓罐連接；和每個(gè)所述吸附床單元和所述均壓罐之間的所述控制閥，由此可避免床-床單元的氣體的直接轉(zhuǎn)移。
10.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于其包括多個(gè)所述的吸附床單元，至少一個(gè)所述吸附床單元在循環(huán)中的任何給定時(shí)間能夠被抽空；一個(gè)連續(xù)地運(yùn)行且連接到每個(gè)所述吸附床單元的上游端的減壓真空泵；和開啟所述真空泵到被抽空的吸附床的連接的控制閥裝置。
11.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于所述的壓縮機(jī)裝置能夠?qū)⒚總€(gè)吸附床單元加壓到約1.2大氣壓至約2.0大氣壓之間的高壓力。
12.按權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于所述的壓縮機(jī)裝置能夠?qū)⒚總€(gè)吸附床單元加壓到約1.4大氣壓的高壓力。
13.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于所述的減壓裝置能夠?qū)⒚總€(gè)吸附床減壓到約0.3大氣壓至給0.45大氣壓之間的低壓力。
14.一種從含至少一種非優(yōu)先吸附的第一氣體和一種或幾種選擇性可吸附的第二氣體的氣體混合物中分離所述第一種氣體的變壓吸附方法，其中將所述單元?dú)怏w混合物輸送到至少一個(gè)吸附床單元，該吸附床單元在高壓下能選擇性地吸附所述第二氣體，而使所述第一氣體從所述吸附床單元通過而到接受器罐，其特征在于該方法包括將所述氣體混合物在加壓下輸送到所述吸附床單元的上游端的同時(shí)，將第一氣體在加壓下輸送到所述吸附床單元的下游端，以促進(jìn)所述吸附床單元的加壓；中止供給所述第一種氣體，而繼續(xù)供給所述加壓的氣體混合物，使上述吸附床單元內(nèi)的壓力上升到高的吸附壓力；從所述吸附床單元將非吸附的第一氣體排放到所述接受器罐，以使其中的壓力均衡；中止供給到所述吸附床單元的所述的氣體混合物，并從所述吸附床單元排放空隙氣進(jìn)入均壓裝置，用以再供給到所述吸附床單元的下游端，以便同時(shí)使所述均壓裝置減壓到一低壓力并逆流清洗和凈化所述吸附床單元，在進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)之前，使所述吸附床單元部分再加壓，以提供一更快而更有效的操作循環(huán)。
15.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于包括使用第二吸附床單元作為均壓裝置，通過從第一吸附床單元排放空隙氣到所述第二吸附床單元清洗和再加壓所述第二吸附床單元，以使所述第一吸附床減壓的同時(shí)，使所述第二吸附床部分加壓，從而提供更快而更有效的操作循環(huán)。
16.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于包括將上述吸附床單元加壓到約1.2大氣壓至約2.0大氣壓之間的高吸附壓力。
17.按權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括將上述吸附床單元加壓到約1.4大氣壓的高吸附壓力。
18.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于包括將上述的均壓裝置減壓到約0.30大氣壓至約0.45大氣壓之間的一低的壓力。
19.一種從空氣中生產(chǎn)氧氣的變壓吸附法，其包括將加壓的空氣供給至少一個(gè)吸附床單元，該床能選擇性地吸附包括氮的氣體組分，而使氧氣通過所述吸附床單元進(jìn)入接受器罐，其特征在于該方法包括將加壓的空氣供給到所述吸附床單元的上游端的同時(shí)，將加壓的氧氣供給到所述吸附床單元的下游端，以便在短的時(shí)間內(nèi)在所述吸附床單元中產(chǎn)生中間壓力；中止供給氧氣，而繼續(xù)供給加壓空氣，使所述吸附床單元內(nèi)形成一高的吸附壓力，從所述吸附床單元排出的氧氣進(jìn)入氧氣接受器貯罐，以提高該貯罐中的壓力；中止加壓空氣供給所述吸附床單元，并將從所述吸附床單元的空隙氣收集到均壓裝置內(nèi)，用以再供給到所述吸附床單元的下游端，以便使所述接受器罐減壓的同時(shí)，使所述第二吸附床單元減壓到一低的壓力，并部分加壓所述第二吸附床單元，以提供更快而更有效的操作循環(huán)。
20.按權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于包括使用第二吸附床作為均壓裝置，通過從第一吸附床單元排放空隙氣到所述第二吸附床單元以清洗、凈化和再加壓所述第二吸附床。
全文摘要
一種變壓吸附方法，用來從一種如空氣的氣體混合物中分離至少一種如氧氣和氬氣的非優(yōu)先吸附的第一氣體，氣體混合物包括第一氣體和一種或幾種可選擇性吸附的第二氣體，該方法包括同時(shí)均壓和抽空，隨后同時(shí)用原料氣和產(chǎn)品氣再加壓變壓吸附床的幾個(gè)新步驟。結(jié)果，總體上更快和更有效地100％利用如真空鼓風(fēng)機(jī)的減壓裝置的循環(huán)，在能耗方面減少約15％。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1133199SQ9511721
公開日1996年10月16日 申請(qǐng)日期1995年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月7日
發(fā)明者M·S·A·巴克什, V·J·吉布勒, H·R·肖布 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司