專利名稱：空氣的吸附分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的從空氣中分離氧氣或氮?dú)獾姆椒?，它是基于真空轉(zhuǎn)換吸附(VSA)或壓力真空轉(zhuǎn)換吸附(PVSA)原理，利用優(yōu)化的真空泵組解吸所吸附的空氣組分。
在工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)借助于分子篩沸石在環(huán)境溫度下，大規(guī)模從空氣中生產(chǎn)氧氣。
這里是利用氮?dú)夂脱鯕鈱?duì)比，氮?dú)獗粌?yōu)先吸附的特點(diǎn)，即，空氣中的氮?dú)獗晃皆诜惺?；在空氣流過(guò)沸石填料床后，可在填料床的出口收集作為產(chǎn)品的較弱吸附組分，如氧氣和氬氣。然后通過(guò)例如將填料床抽真空以解吸所吸附的氮?dú)?。在這種情況下，和眾所周知的壓力轉(zhuǎn)換吸附法(PSA)相反，該方法被稱為真空轉(zhuǎn)換吸附(VSA)。連續(xù)的VSA法按下列過(guò)程運(yùn)行a)例如在環(huán)境壓力下，使空氣穿過(guò)用來(lái)吸附的沸石填料床，并從出口處收集富O2氣體；b)用真空泵，沿與空氣流相反的方向，在入口處抽空填料床至大約100至400hPa的壓力，還可同時(shí)用部分產(chǎn)品進(jìn)行吹掃；c)沿與空氣流相反的方向用產(chǎn)品O2充滿填料床，至大約環(huán)境壓力。在PSA法中，步驟a)在200-600kPa的壓力下進(jìn)行，而步驟b)在大約100kPa的壓力下進(jìn)行，同時(shí)用部分氧氣吹掃。壓力總是指絕對(duì)壓力。)由于有三個(gè)步驟，通常該過(guò)程在三個(gè)分設(shè)的沸石床簡(jiǎn)稱吸附器中運(yùn)行，它們通常是循環(huán)輪換使用。
已經(jīng)公開(kāi)的還有用真空再生的分離過(guò)程(如US397696)，其中兩個(gè)吸附器和一個(gè)產(chǎn)品儲(chǔ)存器以循環(huán)方式運(yùn)行，或者用一個(gè)產(chǎn)品儲(chǔ)存器與一個(gè)吸附器輪換使用。
吸附裝置的經(jīng)濟(jì)效益受到基本投資的影響，例如，吸附劑量、真空泵的尺寸、尤其是運(yùn)行費(fèi)用，如真空泵的能耗。因此，每一項(xiàng)研究的目的都是在選擇分子篩使用量、真空泵的尺寸和真空泵能耗之間進(jìn)行優(yōu)化。至今為止用于真空吸附的真空泵是帶有正位移功能的兩級(jí)或三級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)(見(jiàn)EP0158262)或具有正位移功能的水環(huán)泵。
可當(dāng)作真空泵使用的別的壓縮機(jī)是離心式壓縮機(jī)(參閱例如EP575 591)。這種壓縮機(jī)也稱為離心鼓風(fēng)機(jī)，具有可將反壓對(duì)吸入壓力的操作壓力比加大到約2.6。但為了最佳的使用，也就是達(dá)到盡可能低的能耗，還需選擇一定的吸入壓力與排出壓力之間的比值。人們稱這一比值為最佳壓力比7π。對(duì)于一般的離心鼓風(fēng)機(jī)這一壓力比π約在1.6到1.7。因此離心壓縮機(jī)最佳地用作真空泵時(shí)，包括與之串聯(lián)的消音器中的壓力損失在內(nèi)的反壓力要等于1000hPa，并必須在吸入口維持625或588hPa的恒定壓力。然而，由于在VSA裝置中，抽真空壓力在大約1分鐘內(nèi)從最大壓力(PDes-1)，通常為950hPa減小到最小壓力(PDes-min)，例如300hPa，考慮到降低能耗，不可能在一個(gè)生產(chǎn)階段操作中只使用一個(gè)離心壓縮機(jī)來(lái)使壓力降低。
一種可能方式是在離心壓縮機(jī)前設(shè)置一個(gè)節(jié)流部件，人為地產(chǎn)生壓力差。然而，在壓縮比Π為1.6時(shí)，優(yōu)選地最小的抽真空壓力只有625hPa。而且在抽真空過(guò)程中，由于氣流在通過(guò)節(jié)流部件時(shí)降低了抽吸能力，所以造成了相當(dāng)大的能量損失。如果希望利用離心壓縮機(jī)，使抽真空壓力小于壓縮比π規(guī)定的壓力，那么離心壓縮機(jī)必須安裝在抽吸管線上，并將有基本恒定抽吸能力的真空泵連接在離心壓縮機(jī)的后面。具有有效恒定抽吸能力的真空泵的例子是那些有正位移功能的泵，如水環(huán)泵或注油式回轉(zhuǎn)滑閥泵。旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)是另一種正位移泵。
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)省能量的生產(chǎn)富氧氣體的方法，該方法利用低能耗的真空泵。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用VSA/PVSA方法，分離空氣來(lái)生產(chǎn)富氧氣體的情況下，在整個(gè)抽真空過(guò)程中，可聯(lián)合使用離心壓縮機(jī)和正位移真空泵，即，使它們并聯(lián)運(yùn)行間或轉(zhuǎn)換成串聯(lián)運(yùn)行，或者在抽真空的時(shí)間只是串聯(lián)運(yùn)行，與傳統(tǒng)的兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)相比，這種運(yùn)行方式有壓力范圍比較寬的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的具體內(nèi)容是提供一種利用吸附裝置，從空氣中分離氧氣或氮?dú)獾姆椒ǎ撐窖b置包括一個(gè)或多個(gè)含有氮和氧吸附劑的吸附器，優(yōu)選是氮吸附劑，吸附裝置與由離心壓縮機(jī)和按正位移運(yùn)行的真空泵特別是旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成的真空泵組相連接，穿過(guò)吸附器的進(jìn)口將空氣通入吸附器，使吸附器進(jìn)入吸附階段，在環(huán)境壓力或者比環(huán)境壓力小100hPa，或者超過(guò)環(huán)境壓力500hPa的壓力下，從吸附器的出口抽出富氧氣體或富氮?dú)怏w，在一定的吸附時(shí)間后，優(yōu)選在20-120秒后，進(jìn)入減壓階段，將吸附器中的壓力降低到PDes-1，相當(dāng)于環(huán)境壓力或者至少小于環(huán)境壓力的0.6倍，然后，進(jìn)入解吸階段，在一定的解吸時(shí)間內(nèi)，尤其是20-120秒，借助于真空泵組，解吸吸附器中所吸附的氮或氧，將壓力從較高的壓力PDes-1降低到較低的壓力PDes-min，該壓力相當(dāng)于至少0.05倍的環(huán)境壓力，然后再進(jìn)入壓縮階段，在壓縮階段中，將壓力再次升至吸附階段的壓力，其特征在于在解吸階段開(kāi)始時(shí)，可能前置節(jié)流的真空泵組的離心壓縮機(jī)和正位移真空泵處于與吸附器并聯(lián)或串聯(lián)，尤其是并聯(lián)的狀態(tài)對(duì)吸附器進(jìn)行抽吸，在較低的解吸壓力下，改為使離心壓縮機(jī)和正位移泵串聯(lián)連接，用串聯(lián)連接的真空泵組對(duì)吸附器作用，正位移泵連接在離心壓縮機(jī)的壓出端，并且，在離心壓縮機(jī)和正位移泵以串聯(lián)模式運(yùn)行過(guò)程中，控制或選定泵的尺寸，使其在抽空階段達(dá)到平均最佳壓縮比π。
將泵組從并聯(lián)運(yùn)行調(diào)整到串聯(lián)運(yùn)行，有時(shí)也在離心壓縮機(jī)前的抽真空壓力為PDes-0時(shí)進(jìn)行，尤其是當(dāng)抽真空壓力PDes-0至少達(dá)到由，正位移泵出口處的壓力P0除以0.65*π的壓力值。
優(yōu)選是在抽空階段開(kāi)始時(shí)，將離心壓縮機(jī)和正位移泵以串聯(lián)方式運(yùn)行。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案是，在從并聯(lián)運(yùn)行變化到串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，壓力PDes-0至少等于在正位移泵出口側(cè)的壓力P0除以1.15倍的離心壓縮機(jī)壓縮比Π的壓力。
本發(fā)明的另一個(gè)特別優(yōu)越的變換方案是，在給定初始抽真空壓力PDes-1的情況下，在解吸階段開(kāi)始時(shí)，最小抽真空壓力PDes-min處在從下式得出的壓力范圍內(nèi)PDes-min=P0/1030 hPa*(0.25*PDes-1-100hPa)以及PDes-min=P0/1030 hPa*(0.5*PDes-1)泵組從并聯(lián)運(yùn)行到串聯(lián)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換可以，例如，借助于吸附裝置中的控制系統(tǒng)，按照一種設(shè)定時(shí)間或壓力訊號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。
如果在一種特殊情況下，根據(jù)正位移原理運(yùn)行的串聯(lián)真空泵不得不在小于0.25倍環(huán)境壓力的抽真空壓力下運(yùn)行時(shí)，可由兩個(gè)或三個(gè)順次相聯(lián)接的正位移泵組成泵組。
本發(fā)明的其它特定實(shí)施例可在后附的權(quán)利要求中找到。
下面參照附圖用優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明的VSA法。


圖1是已知的一級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)抽吸能力的特征曲線。
圖2是已知的兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)抽吸能力和軸功率的特征曲線。
圖3是離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)串聯(lián)組成的泵組隨壓力變化的軸功率特征曲線。
圖4是從并聯(lián)運(yùn)行變化到串聯(lián)運(yùn)行，由離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)串聯(lián)組成的泵組隨壓力變化的軸功率特征曲線。
圖5是本發(fā)明VSA裝置的流程圖。
圖6是當(dāng)初始?jí)毫?50hPa時(shí)，在解吸階段吸附器入口的壓力隨時(shí)間變化的曲線。
a)離心壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行b)兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)c)離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)從并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)變到串聯(lián)運(yùn)行圖7是當(dāng)初始?jí)毫?00hPa時(shí)，圖6中各種情況的壓力隨時(shí)間變化的曲線。
下列實(shí)施例中使用的VSA裝置圖如圖5所示。
實(shí)施例VSA裝置有下列部件入口閥11A、12A、11B、12B、11C、12C出口閥13A、14A、15A、13B、14B、15B、13C、14C、15C控制閥17ABC、18ABC閥16ABC空氣壓縮機(jī)C10加熱器H10產(chǎn)品壓縮機(jī)G10真空泵組V10在下面的描述中，使用了下列縮寫(xiě)詞P0=泵組出口處的壓力相當(dāng)于環(huán)境壓力加上泵組末端消音器的動(dòng)壓力
PDes-1=在解吸階段開(kāi)始時(shí)泵組前方的壓力PDes-0=當(dāng)泵組從并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，泵組前方的壓力PDes-0,min=在泵組從并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，泵組前方的最小壓力Pdes-min=泵組前方的最小解吸壓力吸附器A、B和C中裝填有粒徑為1-2.5mm的粒狀Ca沸石A，該沸石的生產(chǎn)過(guò)程見(jiàn)EP-A 0 170 026的實(shí)例2。在1000hPa和25℃下，粒狀吸附劑上氮?dú)獾奈搅繛?4Nl/kg，而氧氣的吸附量為4.3Nl/kg。
吸附器的內(nèi)徑為1000mm，填料床的總高度為2200mm。在吸附器的入口處設(shè)置有20cm厚的一層硅膠。沸石顆粒床的高度是200cm，沸石的重量是1000kg。
吸附器A、B和C以循環(huán)方式運(yùn)行。在該流程圖中，開(kāi)始時(shí)間t=0，在t為0秒時(shí)，吸附器A已完成了吸附。
在該過(guò)程進(jìn)行到t=8秒(也稱作BFP時(shí)間)時(shí)，分離過(guò)程如下在吸附器A中，只有閥15A是打開(kāi)的。而在吸附器C中，只打開(kāi)閥12C和13C。富O2氣體經(jīng)閥15A、控制閥17ABC和閥13C從吸附器A流到吸附器C，被泵組V10抽走。結(jié)果，吸附器A中的壓力從吸附壓力降低到較低的壓力PDes-1(減壓階段)。在吸附器C中，抽真空步驟由此終止，吸附器C中的壓力從最后壓力PDes-min開(kāi)始上升到較高的壓力。
吸附器B開(kāi)始進(jìn)行空氣分離(吸附階段)，即，環(huán)境中的空氣通過(guò)閥11B進(jìn)入吸附器B，富氧產(chǎn)品氣體通過(guò)閥14B離開(kāi)該吸附器，并通過(guò)壓縮機(jī)G10輸送到產(chǎn)品儲(chǔ)槽(未示出)。
在8-60秒循環(huán)期間內(nèi)，分離過(guò)程如下在吸附器A中，關(guān)閉閥15A，只打開(kāi)閥12A。在解吸階段，借助于真空泵V10，部分抽空吸附器A，使其壓力從PDes-1降至PDes-min。吸附器B處于吸附階段，即，打開(kāi)閥11B和15B。此時(shí)，借助于閥18ABC、16ABC和13C，將富氧氣體通入吸附器C。在吸附器C中，只打開(kāi)閥13C。測(cè)量富氧氣體的通入量，使得在該過(guò)程結(jié)束時(shí)，吸附器C中的壓力幾乎達(dá)到吸附壓力(壓縮階段)。
在下一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，用吸附器C分離空氣(吸附階段)，在第三個(gè)循環(huán)中，用吸附器A分離空氣，即在從0-8秒和從8-60秒的兩個(gè)循環(huán)期間，重復(fù)相應(yīng)的階段。
用于評(píng)價(jià)下列實(shí)施例的參數(shù)是體積濃度為93％的氧氣的產(chǎn)量，在泵組前方抽空壓力隨時(shí)間的變化，以及在300hPa時(shí)，泵組的泵出氣體量和抽吸量。
最大吸附壓力總是1100hPa，最小抽真空壓力PDes-min總是300hPa。除這種類型的泵組以外，在抽真空開(kāi)始時(shí)的壓力PDes-1在第一次變化時(shí)初始?jí)毫?50hPa，作為比較還有800hPa。在泵組出口處的壓力(P0為包括安裝在泵組后面的消音器動(dòng)壓在內(nèi)的環(huán)境壓力)平均為1050hPa。
按照分離過(guò)程試驗(yàn)下列泵組的運(yùn)行模式D)兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)，試驗(yàn)中在300hPa時(shí)，泵流量大約為1000m3/h。
E)由一臺(tái)離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成的泵組，即兩臺(tái)壓縮機(jī)總是串聯(lián)在一起，試驗(yàn)中，在300hPa時(shí)，泵流量大約為1000m3/h。
F)由一臺(tái)離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成的泵組，其性能參數(shù)如圖4所示，當(dāng)泵組前的抽空壓力高于650hPa時(shí)，離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)抽空壓力低于650hPa時(shí)，離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，即離心壓縮機(jī)在吸入端和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)在壓出端，在300hPa時(shí)，泵流量大約為1000m3/h。
圖1是一級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)的特征曲線圖。從該圖可以看出，與1000hPa時(shí)的抽吸能力相比，在抽吸壓力小于400hPa時(shí)，抽吸能力已明顯地受到限制。
圖2是兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)的特征曲線圖。串聯(lián)連接的第二級(jí)壓縮機(jī)處于環(huán)境壓力下，根據(jù)兩級(jí)比例，與第一級(jí)壓縮機(jī)的抽入口相比，抽吸能力降低了40％。在1000hPa到200hPa之間，特征曲線的抽吸能力降低大約10％。
圖3是泵組在離心壓縮機(jī)的抽入端和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)的出口端(串聯(lián)連接)的特征曲線。
與確定圖3的特征曲線一樣，用同樣的泵組測(cè)量圖4的特征曲線。然而，當(dāng)吸入端的壓力在650-1000hPa范圍內(nèi)，離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)并聯(lián)進(jìn)行抽吸，借助于節(jié)流部件將離心壓縮機(jī)吸入口的壓力調(diào)節(jié)到650hPa。在低于650hPa的壓力范圍內(nèi)，使離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)串聯(lián)連接，測(cè)量到的特征曲線如圖3所示。
在生產(chǎn)過(guò)程的另一實(shí)施例中，在上述循環(huán)的“0-8秒”時(shí)間內(nèi)，通過(guò)關(guān)閉閥12C達(dá)到抽空壓力PDes-1，即，在吸附器A和吸附器C之間，進(jìn)行壓力補(bǔ)償或部分壓力補(bǔ)償。在這段時(shí)間中，真空泵V10不對(duì)吸附器C進(jìn)行抽空，而是“空載運(yùn)行”。
另一實(shí)施例中，在上述循環(huán)的“0-8秒”時(shí)間內(nèi)，通過(guò)只打開(kāi)吸附器C中的閥12C，達(dá)到抽空壓力PDes-1，這意味著吸附器C被抽空到其最終壓力。而在吸附器B中，只打開(kāi)閥11B，空氣壓縮機(jī)C10中的空氣穿過(guò)該閥進(jìn)入吸附器B。在吸附器A中，只打開(kāi)閥14A，產(chǎn)品壓縮機(jī)G10穿過(guò)該閥抽走富氧氣體，在吸附器A中，壓力降低到所需的抽空壓力PDes-1。
另一實(shí)施例中，只打開(kāi)吸附器C中的閥13C，由連接的真空泵組，按照上述“0-8秒”的循環(huán)時(shí)間期間，很快達(dá)到最佳抽空初始?jí)毫Des-1。而在吸附器B中，只打開(kāi)閥11B和14B，由空氣壓縮機(jī)C10將空氣壓入吸附器B，以產(chǎn)生富氧氣體。在吸附器A中，打開(kāi)閥12A和15A。通過(guò)閥15A、17ABC和13C，使吸附器A中產(chǎn)生的富氧氣體進(jìn)入吸附器C。借助于與閥12A相連的真空泵V10，將吸附器A中的壓力較快地降低到希望的最佳初始?jí)毫Des-1。
利用ASPEN TECH/Cambridge公司的“ADSIM”計(jì)算程序，計(jì)算當(dāng)氧氣濃縮裝置的氧氣生產(chǎn)量為5000Nm3/h，且氧氣的體積濃度為93％時(shí)，利用上述三種泵組D)、E)、F)，在950hPa(=PDes-1)-300hPa(=PDes-min)及800-300hPa的兩種真空范圍內(nèi)的抽空過(guò)程，得出氧氣的回收率(產(chǎn)品中的氧氣含量與大氣中的氧氣含量比)以及泵的尺寸。這里，可使用圖2、3和4中的特征數(shù)據(jù)、泵流量和需要的能量，對(duì)其它泵的尺寸按比例進(jìn)行推算。
圖6顯示的是在950hPa的初始?jí)毫Des-1下，測(cè)量到的壓力隨時(shí)間變化曲線。根據(jù)該曲線，在抽空階段，在較高壓力下，抽吸能力低的泵組E)(離心壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)相串聯(lián))與泵組D)(兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī))對(duì)比，在抽吸過(guò)程中產(chǎn)生的壓力要高些。
在抽空階段，在高壓下，吸附能力較高的泵組F)(開(kāi)始時(shí)離心壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行)與泵組D)(兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī))對(duì)比，所產(chǎn)生的的壓力要低些，這表明需要的能量很不合算。
圖7顯示的是在800hPa的初始?jí)毫Des-1下，測(cè)量到的壓力隨時(shí)間變化曲線。其抽空過(guò)程的特征曲線不像圖6所示的特征曲線那樣互相差別那樣大。
計(jì)算得的泵尺寸如下表1抽空壓力950-300hPa
表2抽空壓力800-300hPa
有時(shí)要求在抽真空壓力600-700hPa范圍內(nèi)比較快地將離心壓縮機(jī)/旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成的泵系統(tǒng)從并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)換成串聯(lián)運(yùn)行，可按O2-VSA/PVSA裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行。也就是在達(dá)到預(yù)定的抽真空壓力時(shí)，或按設(shè)定的抽真空時(shí)間值來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
如圖1所示，一級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)的抽吸能力在400hPa時(shí)已明顯降低。為了采用串聯(lián)的離心壓縮機(jī)/旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)時(shí)在達(dá)到低于25％或者甚至低于15％環(huán)境壓力的低真空壓力下，而不使離心壓縮機(jī)由于需要過(guò)高的壓縮比而失效，建議在需要時(shí)用兩級(jí)或多級(jí)(串聯(lián)運(yùn)行)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)運(yùn)行。
當(dāng)氧氣產(chǎn)量為5000Nm3/h，氧氣的體積濃度為93％時(shí)，從抽空過(guò)程和真空泵組D)、E)和F)的特征數(shù)據(jù)以及計(jì)算的泵尺寸，計(jì)算在950-300hPa和800-300hPa兩個(gè)壓力范圍內(nèi)，三個(gè)泵組D)、E)和F)的能量需求。這里，使用圖2、3和4所示的軸功率特征數(shù)據(jù)，按比例換算成其它泵的尺寸。這里的能量需求是以氧氣的產(chǎn)量為基礎(chǔ)計(jì)算的。
確定下列的比軸功率是以運(yùn)行效率為4％計(jì)算的表3
令人驚奇的是，需要能量最小的竟是始終串聯(lián)運(yùn)行(離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī))的泵組E)(見(jiàn)表3第2欄，800hPa初始?jí)毫?，盡管在最高壓力下或者在開(kāi)始抽空時(shí)的壓力(例如800hPa)下，限制了泵的流量，該壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論上合適的初始?jí)毫?PDes-0=P0/Π，大約等于1050/1.6+650hPa)，相對(duì)于泵組F)的初始并聯(lián)運(yùn)行壓力和在650hPa的壓力下開(kāi)始串聯(lián)運(yùn)行的壓力。
令人驚奇的是，即使在較高的初始?jí)毫?例如950hPa)(見(jiàn)表3，第一欄)下，使用泵組E)仍比使用兩級(jí)旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)(泵組D))更能節(jié)約能量。
因此，在采用由離心壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成的真空泵組的O2-VSA法中，遠(yuǎn)在達(dá)到最佳初始抽空壓力PDes-0(對(duì)離心壓縮機(jī)的最佳壓縮比π，包括消音器動(dòng)壓在內(nèi)的環(huán)境壓力)之前，就要將離心壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)的連接重新調(diào)整成串聯(lián)運(yùn)行。
一般情況下，當(dāng)環(huán)境壓力為1000hPa，消音器的動(dòng)壓為50hPa，壓縮比π為1.6時(shí)，串聯(lián)運(yùn)行的適宜初始?jí)毫?PDes-0)大約為650hPa。然而，在采用VSA工藝從空氣中生產(chǎn)富氧氣體的情況下，優(yōu)選地在較高的壓力下，用串聯(lián)運(yùn)行的離心壓縮機(jī)/旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行抽空。這意味著在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述最佳初始?jí)毫Des-0的壓力下，泵組可以從并聯(lián)運(yùn)行再調(diào)整成串聯(lián)運(yùn)行，或者，在抽空開(kāi)始時(shí)就使用串聯(lián)運(yùn)行的泵組。
權(quán)利要求
1.一種利用吸附裝置從空氣中分離氧氣或氮?dú)獾姆椒?，該吸附裝置包括一個(gè)或多個(gè)含有氮和氧吸附劑的吸附器，優(yōu)選地是氮吸附劑，使用的真空泵組由離心壓縮機(jī)和按正位移運(yùn)行真空泵，特別是旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)組成，在吸附階段，空氣在環(huán)境壓力或者比環(huán)境壓力小-0.1×105Pa，或者超過(guò)環(huán)境壓力0.5×105Pa的壓力下進(jìn)入吸附器以及從吸附器的出口抽出富氧氣體或富氮?dú)怏w，在一定的吸附時(shí)間后，優(yōu)選地在20-120秒后，在減壓階段，將吸附器中的壓力降低到對(duì)應(yīng)的環(huán)境壓力PDes-1，或者低于環(huán)境壓力的壓力(至少小于0.6倍的環(huán)境壓力)，然后，進(jìn)入解吸階段，在一定的解吸時(shí)間內(nèi)，尤其是20-120秒，借助于真空泵組，解吸裝有富氮或富氧吸附劑的吸附器，以便解吸所吸附的氮?dú)饣蜓鯕?，將壓力從較高的壓力PDes-1降低到較低的壓力PDes-min，該壓力最小相當(dāng)于0.05倍的環(huán)境壓力，然后進(jìn)入壓縮階段，在壓縮階段中，將壓力再次升至吸附階段的壓力，其特征在于在解吸階段開(kāi)始時(shí)，按需要前置節(jié)流并聯(lián)或串聯(lián)的真空泵組的離心壓縮機(jī)和正位移真空泵，尤其是并聯(lián)的真空泵組的離心壓縮機(jī)和正位移真空泵，用上述真空泵組抽空吸附器，然后在更低的解吸壓力下，使離心壓縮機(jī)和正位移泵串聯(lián)連接，用串聯(lián)連接的真空泵組抽空吸附器，正位移泵與離心壓縮機(jī)的壓力端相連，并且，在離心壓縮機(jī)和正位移泵以串聯(lián)模式運(yùn)行過(guò)程中，在壓力端運(yùn)行的正位移泵的調(diào)節(jié)或選定要使離心壓縮機(jī)在抽空階段達(dá)到平均最佳壓縮比Π，當(dāng)離心壓縮機(jī)前的抽真空壓力為PDes-0時(shí)，尤其是當(dāng)抽真空壓力PDes-0至少是正位移泵出口側(cè)的壓力為P0除以0.65*π得到的壓力值時(shí)，泵組從并聯(lián)運(yùn)行再轉(zhuǎn)換到串聯(lián)運(yùn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在抽真空階段開(kāi)始時(shí)，離心壓縮機(jī)和正位移泵以串聯(lián)方式運(yùn)行。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，壓力PDes-0,min至少等于在正位移泵出口側(cè)的壓力P0除以1.15倍的離心壓縮機(jī)壓縮比Π的壓力值。
4.如權(quán)利要求1-3所述的方法，其特征在于，在給定初始抽真空壓力PDes-1的情況下，在解吸階段開(kāi)始時(shí)，最小抽真空壓力PDes-min在由下式確定的壓力范圍內(nèi)PDes-min=P0/1030 hPa*(0.25*PDes-1-100hPa)以及PDes-min=P0/1030 hPa*(0.5*PDes-1)。
5.如權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間值，借助于吸附裝置的控制系統(tǒng)，控制泵組從并聯(lián)運(yùn)行到串聯(lián)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。
6.如權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于，根據(jù)設(shè)定的壓力值，借助于吸附裝置的控制系統(tǒng)，控制泵組從并聯(lián)運(yùn)行到串聯(lián)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。
7.如權(quán)利要求1-6所述的方法，其特征在于，在小于0.25倍環(huán)境壓力的抽真空壓力下，根據(jù)正位移原理運(yùn)行的串聯(lián)真空泵由兩個(gè)或三個(gè)順次相連接的正位移泵組成。
8.如權(quán)利要求1-7所述的方法，其特征在于，三個(gè)吸附器(A)、(B)、(C)中的一到三個(gè)吸附器，優(yōu)選地是兩個(gè)或三個(gè)吸附器，在連續(xù)的吸附、減壓、解吸和壓縮階段按循環(huán)交換運(yùn)行。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附階段的末端，待被抽空的吸附器(A)的出口與處于抽空階段的吸附器(B)的出口相連接，通過(guò)與吸附器(B)的入口相連接的真空泵組，將吸附器(A)抽真空直至壓力達(dá)到最大為PDes-0,min。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附階段的末端，待被抽空的吸附器(A)的出口與已被抽空的吸附器(B)的出口或入口相連接，通過(guò)吸附器(B)的壓力補(bǔ)償或部分壓力補(bǔ)償，將吸附器(A)減壓達(dá)到壓力最大為PDes-0,min。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附階段的末端，或在減壓至環(huán)境壓力的減壓階段的末端，使待抽空的吸附器(A)的出口與產(chǎn)品壓縮機(jī)相連接，此時(shí)關(guān)閉吸附器(A)的入口，使吸附器(A)中的壓力降低到環(huán)境壓力以下，直至達(dá)到最大為PDes-0,min。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附階段的末端，或在減壓至環(huán)境壓力的減壓階段的末端，在吸附器(A)的入口借助于泵組將吸附器(A)抽真空，同時(shí)，其出口與已經(jīng)抽空的吸附器(B)的出口相連接，由此對(duì)吸附器(B)進(jìn)行加壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的,按照真空變換吸附(VSA)或壓力真空變換吸附(PVSA)原理,從空氣中分離氧氣或氮?dú)獾姆椒?使用的真空泵組以最佳效率解吸所吸附的空氣組分。該泵組包括一臺(tái)離心壓縮機(jī)和一臺(tái)根據(jù)位移原理運(yùn)行的真空泵,特別是旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1225036SQ97196242
公開(kāi)日1999年8月4日 申請(qǐng)日期1997年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月1日
發(fā)明者G·雷斯, H·阿姆林格 申請(qǐng)人:拜爾公司, Sgi處理技術(shù)股份有限公司