專利名稱：用于共生產(chǎn)氮和氧的壓力回轉(zhuǎn)吸附方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從加料氣體混合物中雙重回收較容易吸附的組分，如氮，和不太容易吸附的組分，如氧的壓力回轉(zhuǎn)吸附方法，其中該方法的共清洗∶加料氣體比率低于約1.15∶1，這樣較容易吸附的組分(氮)與不太容易吸附的組分(氧)的比率低于約3∶1。
已有技術(shù)的描述在許多化學(xué)加工，精煉，金屬生產(chǎn)和其它工業(yè)應(yīng)用中，需要高純氧或氮。富氧氣或富氮?dú)馔ǔＪ墙饘偬幚須夥蘸推渌鼞?yīng)用所需的。氮和氧氣當(dāng)然可通過(guò)各種用于空氣分離的已知技術(shù)而得到。壓力回轉(zhuǎn)吸附(PSA)加工特別適用于各種應(yīng)用中的這些空氣分離，尤其在相對(duì)小規(guī)模操作中，此時(shí)使用低溫空氣分離裝置在經(jīng)濟(jì)上可能不太可行。
最常見的PSA系統(tǒng)由所給的加料供給物生產(chǎn)單一富集純氣流，通常是不太容易吸附的(輕)組分。在這些系統(tǒng)中，加料氣體混合物經(jīng)過(guò)一個(gè)能夠在較高壓力下選擇較容易吸附的(重)組分的吸附劑床。輕組分經(jīng)過(guò)該床并作為產(chǎn)品被收集。重組分隨后在低壓下從吸附劑中解吸并作為廢物從該系統(tǒng)中排放。如果有價(jià)值的主要產(chǎn)品是重組分，PSA系統(tǒng)進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。在這些系統(tǒng)中，由產(chǎn)品品質(zhì)氣體組成的并流置換清洗氣在加料步驟之后沿加料方向上經(jīng)過(guò)該床。輕組分經(jīng)過(guò)該床和在床的出料端作為廢物被排放。高純度重產(chǎn)品在床的加料端通過(guò)一系列泄料(blowdown)，抽空和清洗步驟被收集。在任一已有技術(shù)系統(tǒng)中，加料混合物的僅單個(gè)組分作為產(chǎn)品被獲得，而剩余組分作為廢物從系統(tǒng)中排放。在這些情況下，廢物流一般不足夠地富含用于化學(xué)或工業(yè)應(yīng)用的所需組分。在每種這些系統(tǒng)中，產(chǎn)品的單位成本相對(duì)有價(jià)值的單個(gè)產(chǎn)品(重或輕產(chǎn)品)而確定。
U.S.4,599,094描述了一種空氣分離方法，其中主要產(chǎn)品是高純氮，但從中也生產(chǎn)出相當(dāng)高純度的共產(chǎn)品氧。該方法使用10或更高的高壓力比率(最大吸附壓力與最低解吸壓力的比率)并結(jié)合使用13X分子篩。高氮回收率是主要目的。在該方法中可獲得顯著大于3∶1，和甚至接近理論最大值4∶1的產(chǎn)品比率(N2∶O2)。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品氮純度≥99.8％(回收≥98％)和氧純度90％-93.6％。這么高回收率和純度的主要原因在于，在吸附步驟中排出的氧/空氣傳質(zhì)鋒被分配并被完全回流至該方法中的其它床。該復(fù)雜性和高壓力比率產(chǎn)生高資金和操作成本，導(dǎo)致產(chǎn)品昂貴。
U.S.4,810,265提出一種用于生產(chǎn)氮的并流置換方法。加料空氣被引入床的入口，氮被選擇性地吸附和富氧氣體從床的出料端被取出?？諝饧恿喜襟E之后是并流清洗(共清洗)置換步驟，其中高純氮被加料到床的底部，同時(shí)富氧氣體繼續(xù)從頂部被取出。氮清洗氣體置換已與氮被共吸附的氧，以及留在顆粒間空隙空間中的氧。繼續(xù)共清洗流動(dòng)直至傳質(zhì)鋒從床的出料端冒出且氧純度下降。富氧(輕組分)氣體從床的頂部被排出并作為廢物被排放或被收集用于逆流清洗和/或加壓。吸附劑和空隙空間隨后飽和以高純度重產(chǎn)品。U.S.4,810,265還提出在上述方法中使用LiX或13X吸附劑。
美國(guó)專利No.4,013,429涉及壓力回轉(zhuǎn)吸附方法，其中環(huán)境空氣在流程操作過(guò)程中連續(xù)地經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)處理吸附劑床以從中去除水分和二氧化碳。干燥和純化空氣隨后經(jīng)過(guò)一個(gè)用于選擇性地保留氮的主吸附劑床，其中富氧排放物被收集在可膨脹接收容器中。預(yù)處理和主吸附劑被包含在順序連接的獨(dú)立容器中。高純度的氮在與起始空氣加料相反的方向上通過(guò)抽空而從主床中解吸。該氮產(chǎn)品經(jīng)主床進(jìn)入和通過(guò)預(yù)處理床至收集容器。在真空解吸步驟之前，預(yù)處理床和主床都用來(lái)自該操作中的以前階段的高純氮產(chǎn)品氣體漂洗。在抽空之后，床用一部分取自可膨脹接收容器的富氧氣體再加壓。通過(guò)按照所述方式操作，根據(jù)任何所需用途回收高純度(99.7-99.9％)的氮和富氧(78-90％)氣體產(chǎn)品。氮和氧產(chǎn)品的回收率都是約95％。兩種產(chǎn)品的這種高回收率表明，已有技術(shù)方法尋求優(yōu)化N2∶O2產(chǎn)品比率盡可能接近4∶1。U.S.4,013,429方法復(fù)雜和昂貴，具有16個(gè)循環(huán)步驟，13個(gè)閥，四個(gè)壓縮機(jī)和三個(gè)可膨脹氣體接收器。
美國(guó)專利No.4,892,565涉及一種使用真空壓力回轉(zhuǎn)吸附用于從包含主要組分和一種或多種不太選擇性地吸附的次要組分的氣體混合物中回收較為選擇性地吸附的主要組分的方法。該方法通過(guò)減少或消除氣體儲(chǔ)存容器而使資金成本最小化和通過(guò)沒有加料壓縮機(jī)的操作而減少功率要求，這樣加料至少部分通過(guò)并聯(lián)吸附床之間的壓力平衡所獲得的真空條件而被引入。該發(fā)明的主要目的是在相對(duì)高純度(≥95％)下生產(chǎn)更為選擇性地吸附的組分。另外，至少少量的不太選擇性地吸附的次要組分產(chǎn)品可被回收。明顯對(duì)于空氣分離，該三或四床方法的目的在于回收僅重氮組分，或另外在于高N2∶O2產(chǎn)品比率。
美國(guó)專利No.4,915,711涉及一種吸附分離方法，其中使用吸附，減壓，低壓清洗，抽空和再加壓而用于以高回收率和高純度回收兩種氣體產(chǎn)品。減壓和清洗排放物被再循環(huán)至加料。視需要，在吸附之后和在抽空步驟之后進(jìn)行壓力平衡。該發(fā)明目的在于CO2/CH4分離。在空氣分離時(shí)，僅考慮到采用氧選擇性吸附劑的方法，即氧是重組分。該方法與本發(fā)明的明顯不同還在于在吸附步驟之后使用并流減壓步驟和使用重組分的低壓清洗。
已有技術(shù)主要用于生產(chǎn)高純氮(99.9％或更高)和使這些空氣分離方法的氮的產(chǎn)率最大化。氧已作為附加益處而從這些方法中回收，抵消了生產(chǎn)高純氮的一些成本。完美的或理想的分離可得到4∶1比率的氮和氧產(chǎn)品。在這些例如公開于U.S.4,810,265和U.S.5,163,978的實(shí)際方法中，主氮產(chǎn)品的回收被最大化。這些方法中的所得產(chǎn)品比率(N2∶O2)遠(yuǎn)高于3∶1。因此，已有技術(shù)顯然發(fā)現(xiàn)，最低氮單位產(chǎn)品成本相應(yīng)于使N2∶O2產(chǎn)品比率最大化至大于3∶1的值。必然低于理想比率4∶1的該產(chǎn)品比率的實(shí)際上限取決于傳質(zhì)阻力和氮和氧在傳質(zhì)區(qū)中的共吸附。換句話說(shuō)，不可能從床中去除所有的氧而不損失一部分氮。
不同于其中希望使N2∶O2產(chǎn)品比率最大化的PSA共產(chǎn)品空氣分離已有技術(shù)，本發(fā)明尋求低于3∶1的N2∶O2產(chǎn)品比率。本發(fā)明的一個(gè)方面是，如果共清洗∶加料空氣比率下降，輕氧產(chǎn)品量可增加。不同于簡(jiǎn)單地將過(guò)量高純氮產(chǎn)品排放以得到較低產(chǎn)品比率，本發(fā)明的新型方法減少共清洗∶加料空氣比率(如降低約10％)以實(shí)現(xiàn)更大量的輕產(chǎn)品和相應(yīng)的較低的N2∶O2產(chǎn)品比率。這導(dǎo)致氧的單位成本的下降。
可改變提供加料空氣鼓風(fēng)機(jī)和共清洗壓縮機(jī)雙重功能的入口鼓風(fēng)機(jī)的使用情況，使得更多的加料空氣和更少的共清洗氮被引入吸附器床。因此，較高加料通過(guò)量和較大輕組分氧產(chǎn)品使用相同的固定尺寸的設(shè)備而得到。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種從加料氣體混合物中回收較容易吸附的氣體組分以及不太容易吸附的氣體組分的PSA方法和系統(tǒng)，其中不太容易吸附的(氧)氣體的量通過(guò)將共清洗∶加料氣體的比率調(diào)節(jié)至低于1.15∶1而增加。因此，較容易吸附的氣體組分與不太容易吸附的氣體組分的比率被降至低于3∶1。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠盡量減少?gòu)目諝庵谢厥蛰^大量的富集氧產(chǎn)品時(shí)的資金成本，功率消耗，和總體成本的PSA方法和系統(tǒng)。
考慮到這些和其它目的，以下詳細(xì)描述本發(fā)明，其新特征在所附權(quán)利要求書中特別指出。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于從加料氣體混合物中共生產(chǎn)較容易吸附的氣體組分(如氮)和不太容易吸附的氣體組分(如氧)的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，包括將加料氣體加料到至少一個(gè)包含用于預(yù)處理或去除不需要的組分的吸附劑材料的吸附劑床并隨后經(jīng)過(guò)主吸附劑床。加料氣體混合物在升高的壓力下經(jīng)過(guò)主吸附劑，其中重組分被吸附和輕組分作為產(chǎn)品離開。該步驟隨后是高純度重產(chǎn)品的并流清洗(沿與加料相同的流動(dòng)方向上通過(guò)主吸附劑床的共清洗)。重產(chǎn)品在隨后逆流泄料和抽空步驟中被回收。主床隨后被逆流清洗并隨后用輕產(chǎn)品再加壓。這些循環(huán)步驟進(jìn)行使得較容易吸附的氣體化合物與不太容易吸附的氣體組分的產(chǎn)品比率低于約3∶1，優(yōu)選約2∶1，其中共清洗∶加料氣體比率被調(diào)節(jié)至低于約1.15∶1，優(yōu)選低于1.05∶1。
如果加料混合物優(yōu)選為空氣，本發(fā)明的代表性方法可描述如下(a)將不太容易吸附的組分(氧)引入床的出料端以將該床從低于大氣壓的解吸壓力水平部分逆流再加壓至中間壓力水平，床的這種逆流回填用于使任何以前吸附的較容易吸附的氣體組分(氮)朝向床的加料端置換；(b)使加料氣體混合物通入床的加料端，所述床從所述中間壓力被并流再加壓至上吸附壓力，其中所述較容易吸附的氣體組分被選擇性地吸附和所述不太容易吸附的氣體組分被選擇性地從床的出料端取出，其中較大量的不太容易吸附的氣體通過(guò)在方法中保持共清洗∶加料氣體比率低于約1.15而產(chǎn)生，一部分所述較大量的不太容易吸附的氣體組分從系統(tǒng)中被取出用于其它應(yīng)用，剩余部分的所述不太容易吸附的氣體組分直接通入該系統(tǒng)的另一床中以用于步驟(a)的所述逆流回填再加壓或用于床的清洗和/或通入氣室以備隨后用于這些回填或清洗步驟；(c)使較容易吸附的氣體組分在所述上吸附壓力下通入床的加料端，這樣在低于約1∶15∶1，優(yōu)選低于約1.05的共清洗∶加料氣體比率下并流清洗所述床，和所述不太容易吸附的氣體組分從床的出料端被取出使得該床在從床中回收所述較容易吸附的氣體組分之前已通過(guò)所述清洗而被清除掉不太容易吸附的氣體組分；(d)通過(guò)從床的加料端排出所述較容易吸附的氣體組分而逆流解壓床，這樣床的壓力首先從上吸附壓力通過(guò)泄料降至大氣壓并隨后優(yōu)選通過(guò)使用真空泵降至低于大氣壓的解吸壓力水平；(e)在低于大氣壓的壓力下通過(guò)將所述不太容易吸附的氣體組分引入床的出料端而逆流清洗該床且所述較容易吸附的氣體組分優(yōu)選通過(guò)真空泵從床的加料端出料，這樣增加床在下一后繼加壓吸附步驟之前的吸附量，且所述較容易吸附的氣體從系統(tǒng)中被取出或被儲(chǔ)存在氣室中以用作方法中的清洗氣體；和(f)在循環(huán)基礎(chǔ)上重復(fù)步驟(a)-(e)，其中在方法進(jìn)行過(guò)程中將附加的加料氣體通入該床以保持共清洗∶加料氣體比率低于約1.15∶1，這樣保持所述容易吸附的組分與所述不太容易吸附的組分氣體的比率低于約3∶1。
如果不太容易吸附的組分是氧和較容易吸附的組分是氮，那么所述氧可優(yōu)選具有純度約60％以上，更優(yōu)選約80％以上，和所述氮可優(yōu)選具有純度約98％以上，更優(yōu)選約99.8％以上；且這些氣體方便地在本發(fā)明的簡(jiǎn)化加工循環(huán)中作為低成本產(chǎn)品而得到。
本發(fā)明的加工循環(huán)總體上包括在低(低于大氣壓)解吸壓力和上(高于大氣壓)吸附壓力之間操作的各種加壓和減壓步驟，結(jié)合以在所述上和低壓力下有利的清洗或置換步驟以增加在高解吸壓力下回收的不太容易吸附的氣體組分的回收率和在較低解吸壓力下較容易吸附的氣體組分的回收率。各種加工變型也可用于特定的實(shí)施方案以增加本發(fā)明方法和系統(tǒng)在根據(jù)具體空氣分離或其它加料氣體分離應(yīng)用的要求而應(yīng)用時(shí)的績(jī)效。
本發(fā)明優(yōu)選應(yīng)用于PSA系統(tǒng)以從空氣中分離氧和氮，其中采用至少兩個(gè)吸附劑床，其中每個(gè)床按照與該系統(tǒng)中的其它床相關(guān)的合適順序進(jìn)行本文所公開的加工循環(huán)，這樣有助于在這種系統(tǒng)中進(jìn)行連續(xù)氣體分離操作。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，通常采用兩個(gè)或三個(gè)吸附劑床。
已經(jīng)意外發(fā)現(xiàn)，如果共清洗∶加料氣體比率下降，氧產(chǎn)量可增加。不同于簡(jiǎn)單地排放過(guò)量高純氮產(chǎn)品以得到較低產(chǎn)品比率，該新型方法產(chǎn)生一種可將共清洗∶加料空氣比率降至低于1.15∶1，優(yōu)選低于約1.05∶1的系統(tǒng)。這可獲得較大量的輕產(chǎn)品氧和由此較低的氮/氧比率(低于約3∶1)。這還導(dǎo)致氧的單位成本的下降。
共清洗∶加料空氣比率的下降通過(guò)減少用于共清洗的時(shí)間量和增加用于空氣加料的時(shí)間量而實(shí)現(xiàn)。吸附劑效率可進(jìn)一步通過(guò)監(jiān)測(cè)和使用從床的頂部排出的富氧氣體的純度以控制共清洗∶加料空氣比率而提高。該新型方法使得由固定量的吸附劑材料產(chǎn)生的氧的量最大化。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是用于本發(fā)明真空PSA氧和氮系統(tǒng)的優(yōu)選步驟的示意流程圖。
圖2是本發(fā)明真空PSA氧和氮系統(tǒng)的示意圖。
圖3包括三個(gè)圖，其中圖3A是來(lái)自已有技術(shù)床頂部的氧純度跡線的氧百分?jǐn)?shù)對(duì)時(shí)間的圖；圖3B是在已有技術(shù)最佳條件下來(lái)自床頂部的氧純度跡線的氧百分?jǐn)?shù)對(duì)時(shí)間的圖；和圖3C是在本發(fā)明條件下來(lái)自床頂部的氧純度掃描的氧百分?jǐn)?shù)對(duì)時(shí)間的圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明優(yōu)選的方法是PSA系統(tǒng)的并流置換循環(huán)。該循環(huán)的優(yōu)選實(shí)施方案是以下描述和在圖1的循環(huán)步驟圖中顯示的12步方法。優(yōu)選種類的吸附劑是高度交換的低Si/Al比率LiX吸附劑，這些例如描述于U.S.4,589,217。
步驟No.1-產(chǎn)品氧加壓富氧氣體從氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐中取出并被引入吸附器的出料端(頂部)。
步驟No.2-交疊加料吸附/產(chǎn)品氧加壓加料空氣被引入吸附器的加料端(底)，同時(shí)氧產(chǎn)品繼續(xù)進(jìn)入吸附器的頂部。
步驟No.3-提高壓力加料吸附和開始制氧加料空氣繼續(xù)被引入吸附器的底部。一旦達(dá)到所需吸附壓力，開始從頂部取出氧產(chǎn)品。
步驟No.4-并流氮清洗/產(chǎn)品氧制造氮產(chǎn)品從氮可變?nèi)莘e接收器中取出，壓縮和被引入吸附器的底部。氧產(chǎn)品在吸附器的頂部取出。
步驟No.5-并流氮清洗/產(chǎn)品氧制造氮產(chǎn)品從氮可變?nèi)莘e接收器中取出，壓縮和被引入吸附器的底部。氧產(chǎn)品在吸附器的頂部取出。
步驟No.6-并流氮清洗/氧排放氮產(chǎn)品繼續(xù)被引入吸附器的底部。來(lái)自吸附器頂部的氣體被排出該系統(tǒng)。
步驟No.7-泄料/氮產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量氮從吸附器的底部被取出并被導(dǎo)向氮可變?nèi)莘e接收器。
步驟No.8-抽空/氮產(chǎn)品氮產(chǎn)品通過(guò)真空鼓風(fēng)機(jī)從吸附器的底部被取出并被排放至氮可變?nèi)莘e接收器。
步驟No.9-抽空/氮產(chǎn)品氮產(chǎn)品通過(guò)真空鼓風(fēng)機(jī)從吸附器的底部被取出并被排放至氮可變?nèi)莘e接收器。
步驟No.10-抽空/氮產(chǎn)品/氧清洗氮產(chǎn)品通過(guò)真空鼓風(fēng)機(jī)從吸附器的底部被取出并被排放至氮可變?nèi)莘e接收器。來(lái)自產(chǎn)品罐的氧被引入吸附器容器的頂部。
步驟No.11-抽空/排放/氧清洗氮產(chǎn)品從吸附器的底部被取出并作為廢物從系統(tǒng)中排放。來(lái)自產(chǎn)品氣室的氧繼續(xù)流入吸附器容器的頂部。
步驟No.12-抽空/排放/氧清洗純度下降的氮從吸附器的底部被取出并作為廢物從系統(tǒng)中被排放。來(lái)自產(chǎn)品氣室的氧繼續(xù)流入吸附器容器的頂部。
每個(gè)步驟的時(shí)間和每個(gè)步驟中的壓力變化調(diào)節(jié)使得共清洗∶加料氣體比率保持低于約1.15。本發(fā)明的一個(gè)新穎方面在于用于增加床的吸附量的步驟11和12。
圖1顯示了該方法的12個(gè)步驟。在用產(chǎn)品氧逆流加壓(步驟1)之后，加料空氣被引入床的入口。氮被選擇性地吸附。一旦達(dá)到上吸附壓力，富氧氣體從床的出料端被取出。最終空氣加料步驟(步驟3)之后是一個(gè)并流清洗置換(共清洗)步驟，其中高純氮被加料到床的底部，同時(shí)富氧氣體繼續(xù)從頂部被取出。氮清洗氣體置換共吸附氧，以及保留在顆粒間空隙空間中的氧。從床的出料端取出的富氧氣體的瞬時(shí)純度在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中改變。純度增加的氧物流(通常＞75％)被捕獲并被送至氧產(chǎn)品罐。出料氣體剩余部分(較低純度氧)從系統(tǒng)中被排放。除了產(chǎn)品，在儲(chǔ)存罐中收集的較高純氧用于逆流清洗和/或加壓。
通過(guò)監(jiān)測(cè)在氣體從床頂部排出時(shí)的氧純度，可選擇性地從富氧出料物流中去除產(chǎn)品。根據(jù)最低可接收的純度，氣體被送至氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐或從系統(tǒng)中被排出。另外，產(chǎn)品和排放分?jǐn)?shù)可通過(guò)監(jiān)測(cè)氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐中的氣體的氧純度而控制。在空氣加料和并流氮清洗步驟之后，床中的吸附劑和空隙空間加重裝載產(chǎn)品品質(zhì)氮(純度大于98％，優(yōu)選大于99.8％，無(wú)氧)。逆流泄料和抽空步驟(7-10)設(shè)計(jì)成用于在可變?nèi)莘e接收器中收集產(chǎn)品質(zhì)量氮。如果氧清洗氣鋒開始從床的加料端出現(xiàn)，停止在步驟10中取出高純產(chǎn)品氮。同時(shí)氮純度也下降。
剩余的抽空/清洗步驟(11和12)設(shè)計(jì)成用于再生吸附劑。氮在這些步驟中被進(jìn)一步解吸和作為廢物被排放，因?yàn)樵摯仓苽溆糜谥貜?fù)這些吸附步驟。
這些步驟在本發(fā)明中設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)較低的N2∶O2產(chǎn)品比率，如低于3∶1。這可通過(guò)減少用于共清洗步驟的時(shí)間和增加用于加料空氣步驟的時(shí)間而實(shí)現(xiàn)。共清洗時(shí)間的減少相對(duì)已有技術(shù)增加了加料/共清洗鼓風(fēng)機(jī)用來(lái)空氣加料的那部分時(shí)間約10％。這樣可增加氧的生產(chǎn)而不增加設(shè)備的規(guī)?；虺杀?。
以上方法的優(yōu)選條件是一種適用于進(jìn)行在以上部分中詳細(xì)描述和在表1和圖2中顯示的優(yōu)選方法的雙床VPSA系統(tǒng)。示例性系統(tǒng)由徑向流動(dòng)吸附劑床A和B，合適的氧和氮儲(chǔ)存容器，用于空氣加料和氮共清洗的分時(shí)鼓風(fēng)機(jī)，和真空鼓風(fēng)機(jī)組成。氮儲(chǔ)存罐可由非剛性材料制造以提供可變接收罐容積。
在以下描述中，步驟號(hào)是指在圖1中為床A給出的步驟。床B與床A呈1/2循環(huán)異相。例如，床B經(jīng)歷圖1的步驟7-12，而床A進(jìn)行步驟1-6。在詳細(xì)描述于以上部分和表1的循環(huán)加工序列的開始(步驟1)時(shí)，床A處于最低的低于大氣壓的解吸壓力。富氧產(chǎn)品氣體用于回填床A。閥V14是打開的以使氣體從氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐流入床A的頂部，直至在床A中達(dá)到預(yù)定的床壓力水平。在該步驟中，無(wú)需空氣/共清洗鼓風(fēng)機(jī)。為了避免終端不通氣，可打開空氣/共清洗鼓風(fēng)機(jī)，閥V1和V16以使空氣流過(guò)鼓風(fēng)機(jī)。
表1
時(shí)間，起始/終止壓力，和循環(huán)步驟可根據(jù)所用的吸附劑材料而改變。
在步驟2開始時(shí)，關(guān)閉閥V16，閥V1保持打開，并打開閥V3以使空氣加料到床A的底部。閥V14保持打開(從步驟1開始)和氧繼續(xù)回填至床A的頂部。加料加壓和氧回填的交疊繼續(xù)進(jìn)行至在床A中達(dá)到預(yù)定壓力。
在步驟3開始時(shí)，關(guān)閉閥V14以結(jié)束回填過(guò)程。加料空氣繼續(xù)進(jìn)入床A的底部直至達(dá)到上吸附壓力。氮被吸附劑選擇性地吸附。此時(shí)，床A壓力保持恒定在上吸附壓力并打開閥V10和從床A的頂部取出富集氧。閥V13也被打開并使富集氧送進(jìn)至氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐。
在開始步驟4時(shí)，床A加料從空氣切換成氮共清洗氣體。關(guān)閉閥V1以停止加料空氣流動(dòng)并打開閥V6以使高純氮(優(yōu)選＞99.5％，無(wú)氧)從氮可變?nèi)莘e接收器經(jīng)過(guò)空氣/共清洗鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)閥V3流入并進(jìn)入床A的底部。床A中的壓力在該步驟中保持幾乎恒定。富氧氣體繼續(xù)從床A的頂部被取出并送進(jìn)至氧儲(chǔ)存罐。這繼續(xù)進(jìn)行在整個(gè)步驟5中。
在步驟6中，共清洗流動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入床A的底部且氮鋒已近乎到達(dá)床的端部。從床頂部排出的富氧氣體的純度開始下降。這種純度下降可通過(guò)監(jiān)測(cè)富氧氣體在從床頂部排出時(shí)的純度或通過(guò)監(jiān)測(cè)氧儲(chǔ)存罐中的產(chǎn)品氣體的純度而確定。在約70-75％O2純度下，關(guān)閉閥V13以停止富集氧流入氧產(chǎn)品罐并打開閥V12和將從床A的頂部排出的氣體從該系統(tǒng)中排放。該排放步驟使得氮清洗氣體完全清除掉床A中的所有殘余氧。
當(dāng)表1的共清洗步驟6在床A中完成時(shí)，完成了一半的循環(huán)序列且床A開始減壓序列。
在步驟7中，床A通過(guò)將高純氮?dú)庑沽先氲勺內(nèi)莘e接收器而被減壓。打開閥V2，V7和V8以使從床A流向氮可變?nèi)莘e接收器。泄料繼續(xù)進(jìn)行至床A中的壓力等于環(huán)境空氣壓力。在該步驟中，無(wú)需真空鼓風(fēng)機(jī)。為了避免真空鼓風(fēng)機(jī)終端不通，使小部分的泄料氣流經(jīng)過(guò)該鼓風(fēng)機(jī)。
在步驟8中，床A經(jīng)歷其部分抽空。關(guān)閉閥V7，同時(shí)閥V2和V8保持打開以使產(chǎn)品品質(zhì)氮?dú)馔ㄟ^(guò)真空鼓風(fēng)機(jī)流動(dòng)并進(jìn)入氮可變?nèi)莘e接收器。
在步驟9和10中，隨著氣體通過(guò)真空鼓風(fēng)機(jī)從床A的底部被去除并被送至可變?nèi)莘e接收器，床A繼續(xù)被抽空。在步驟11開始時(shí)，從床A排空出的氣體的氮純度下降并不再是產(chǎn)品或共清洗所需的(一般低于99.75％純度)。這可通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體在從真空泵中被排出時(shí)的純度而確定。在該步驟中，關(guān)閉閥V8以停止流入可變?nèi)莘e接收器并打開閥V9以排放該系統(tǒng)的抽空氣體。這繼續(xù)進(jìn)行在整個(gè)步驟12中。另外，在步驟10，11，和12中，打開閥V14以使產(chǎn)品質(zhì)量氧清洗氣體從氧儲(chǔ)存罐進(jìn)入床A的頂部。
當(dāng)表1的抽空步驟12在床A中完成時(shí)，循環(huán)序列完成。注意，閥V15，V11，V5，和V4在床B上分別發(fā)揮著與閥V14，V10，V2，和V3在床A上所發(fā)揮的相當(dāng)功能。
通過(guò)低氮/氧產(chǎn)品比率方法而實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)而說(shuō)明。具有平均顆粒尺寸1.4mm的高度交換LiX(2.0)吸附劑(SiO2/Al2O3＝2.0)用于實(shí)驗(yàn)。參照性能使用本發(fā)明的方法步驟而實(shí)現(xiàn)，但沒有在步驟11和12的氮排放。參照情形的N2∶O2產(chǎn)品比率是2.92∶1。該產(chǎn)品比率剛好低于已有技術(shù)方法的下限比率(3∶1)。另外測(cè)試改進(jìn)的循環(huán)(具有降低的共清洗∶加料空氣比率)。將結(jié)果歸一化至參照方法并在表2中比較。
這些結(jié)果表明，共清洗∶加料空氣比率的下降導(dǎo)致N2∶O2產(chǎn)品比率(1.97∶1)下降，同時(shí)增加氧的生產(chǎn)，而沒有增加加料設(shè)備的規(guī)?；蛭絼┑牧?。
表2-中試裝置結(jié)果
所表現(xiàn)出的對(duì)方法效率的改進(jìn)通過(guò)控制穿透鋒而進(jìn)行。在某些共清洗∶加料空氣比率下，在吸附步驟過(guò)程中觀察到兩個(gè)獨(dú)立的濃度鋒從床的出料端出現(xiàn)，即氧/空氣鋒和其之后的空氣/氮鋒。氧/空氣鋒特征在于氧濃度由約85％急劇下降至低于21％。根據(jù)共清洗∶加料空氣比率，在這兩個(gè)鋒之間出現(xiàn)一個(gè)具有空氣氧純度(約21％O2)的恒定氧濃度的區(qū)域。第二鋒(空氣/N2)在氧濃度由約21％降至低于1％時(shí)從床中冒出。優(yōu)選的共清洗∶加料空氣比率低于約1.15∶1，更優(yōu)選低于1.05∶1。最佳共清洗∶加料空氣比率取決于氧在加料氣體中的量。大于21％的氧含量則需要較低的共清洗∶加料空氣比率。上述的優(yōu)選比率1.15基于包含約21％氧的空氣的加料氣體。具有恒定純度的區(qū)域被稱為″空氣平臺(tái)″。
圖3a給出了其中明顯沒有空氣平臺(tái)的一種狀態(tài)。這是當(dāng)兩個(gè)鋒在共清洗步驟過(guò)程中在床內(nèi)相交和組合時(shí)而得到的響應(yīng)情況。該狀態(tài)與已有技術(shù)的穿透?jìng)髻|(zhì)區(qū)的硬察結(jié)果一致。如果這些鋒在床內(nèi)相交，位于該相交點(diǎn)和床端之間的吸附劑不提供空氣分離作用，即組合的鋒分隔高純氮和氧的區(qū)域，因?yàn)闆]有空氣留在床中。這種狀態(tài)表示相對(duì)吸附劑在床中的量不太理想地將空氣加料到該方法。如果鋒如圖3b所示在床的出料端附近幾乎，但不完全相交，可得到最高吸附劑生產(chǎn)率。這種狀態(tài)表示空氣平臺(tái)形成開始。該空氣平臺(tái)隨著共清洗∶加料空氣比率的下降或如果床深度對(duì)于所提供的加料空氣的量而言太短時(shí)在時(shí)間上擴(kuò)展。在后一情況下，壓縮空氣被浪費(fèi)。展寬的空氣平臺(tái)在圖3c中給出。在本發(fā)明中，共清洗∶加料空氣比率的下降導(dǎo)致形成展寬的空氣平臺(tái)。該空氣平臺(tái)包含在床內(nèi)。盡管起初被認(rèn)為不希望的，該狀態(tài)提供用空氣進(jìn)行附加逆流清洗的意外有益效果。
在以前的方法中床在氮共清洗結(jié)束時(shí)以高純氮飽和。隨后逆流泄料步驟導(dǎo)致根據(jù)需要氮被解吸，和沒有有效地用共產(chǎn)品氧清洗，即因?yàn)樵诖仓袔缀鯖]有留下任何氧。為了使高純氮的回收率最大化，氧清洗被延遲至抽空步驟結(jié)束。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及其中無(wú)需太高純氮的應(yīng)用?？梢栽试S氧在抽空/清洗步驟中的前期在床的加料端穿透，只要已收集足夠量的高純氮產(chǎn)品。通過(guò)減少共清洗氮以有利于增加空氣加料，一般優(yōu)選在共清洗步驟結(jié)束時(shí)在床中留下空氣平臺(tái)。這種包含21％氧的空氣在泄料步驟過(guò)程中提供對(duì)床頂部的第一清洗。該氣體在抽空步驟過(guò)程中繼續(xù)清洗床的下部。在抽空步驟結(jié)束時(shí)，與已有技術(shù)高產(chǎn)品比率方法所得相比，床已被更有效地解吸。結(jié)果，床的氮工作能力增加以使氧共產(chǎn)品的產(chǎn)量提高。保留在床中的空氣平臺(tái)的量以及所述共清洗∶加料空氣比率對(duì)于該降低產(chǎn)品比率的方法的總體效率是重要的。
對(duì)該新共產(chǎn)品方法的其它改進(jìn)可通過(guò)使用先進(jìn)的高性能吸附劑如X型；A型；天然存在的沸石；優(yōu)選具有平均顆粒尺寸0.5mm-2.0mm的小珠粒吸附劑；使用至少兩層具有不同的物理和/或吸附特性的吸附劑；徑向流動(dòng)，軸向流動(dòng)和/或橫向流動(dòng)床；和應(yīng)用更低壓力比率循環(huán)而得到，這樣進(jìn)一步提高效率和降低本發(fā)明方法的成本。因?yàn)樗械倪@些改變影響濃度鋒在方法中的性質(zhì)，每種改變通過(guò)使用上述的新型方案而實(shí)現(xiàn)，其中降低共清洗∶加料空氣比率以實(shí)現(xiàn)所需共產(chǎn)品比率，同時(shí)在床內(nèi)保留空氣平臺(tái)。
盡管各種各樣的吸附劑材料可因此在本發(fā)明實(shí)施中用于采用本發(fā)明PSA方法和系統(tǒng)的空氣分離或其它所需的氣體分離操作，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別希望在本發(fā)明的特定實(shí)施方案的實(shí)施中采用鋰陽(yáng)離子形式的沸石X以從空氣中回收氮和氧。LiX吸附劑材料被發(fā)現(xiàn)對(duì)從空氣中吸附氮和氧具有突出的本領(lǐng)和選擇性。希望用于本發(fā)明實(shí)施中的LiX吸附劑材料是鋰陽(yáng)離子形式的沸石X，其中骨架SiO2/Al2O3摩爾比是約2.0-約3.0和其中至少約88％的AlO2-四面體單元與鋰陽(yáng)離子締合。高度交換的低SiO2/Al2O3比率LiX吸附劑具有高工作能力和高工作分離效率。這些吸附劑在本發(fā)明中的使用減少床尺寸因數(shù)和功率，和增加產(chǎn)品回收率和產(chǎn)率。
本發(fā)明的所有概念總體上適用于全范圍的方法條件，如溫度，壓力，壓力比率，加料速度，等。同樣，這些概念可適用于按低于大氣壓(VSA)，跨大氣壓(VPSA)，或超大氣壓(PSA)循環(huán)操作的單個(gè)床以及多床方法。在此描述的概念不限于任何特殊吸附器構(gòu)造和可有效地應(yīng)用于軸向流動(dòng)，徑向流動(dòng)，橫向流動(dòng)等的吸附器。
本發(fā)明可在吸附劑在主吸附劑區(qū)中呈各種配置的情況下實(shí)施，如各種類型或相同類型的但具有不同吸附和/或物理特性的吸附劑的多層和混合物。
也可采用對(duì)在表1中描述的方法的變形方案?？上諝饧恿吓c氧回填在步驟2中的交疊。在該不太優(yōu)選的型式中，步驟2可僅包括氧回填步驟，而空氣加料在步驟3中開始。該變化方法可導(dǎo)致單位功率增加8％-10％增加和氧產(chǎn)量下降3％-5％。
步驟10，11，和12中的氧清洗氣體可直接由該方法中的另一床的頂部而不是從氧產(chǎn)品儲(chǔ)存罐提供。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，對(duì)方法步驟的其它改變可在保持本發(fā)明的總體意圖和益處的同時(shí)而進(jìn)行。
空氣平臺(tái)的概念也可通過(guò)監(jiān)測(cè)輕組分(氧)純度而加以利用，以精確地控制共清洗∶加料空氣比率?？諝馄脚_(tái)持續(xù)時(shí)間可用作控制變量，這樣共清洗氣在隨后循環(huán)步驟中的量可根據(jù)需要而下降或增加以保持空氣平臺(tái)持續(xù)時(shí)間在預(yù)定范圍(設(shè)定點(diǎn))內(nèi)。
根據(jù)以上內(nèi)容可以理解，用于本發(fā)明實(shí)施，如本文公開的總體優(yōu)選的2床實(shí)施方案的操作條件是靈活可變的，有助于滿足用于共生產(chǎn)氣體分離操作的要求。因此，與任何特殊最終應(yīng)用有關(guān)的限制條件，如產(chǎn)品壓力，功率消耗，產(chǎn)品純度等可容易得到適應(yīng)，同時(shí)提供所需共生產(chǎn)氧和氮產(chǎn)品的總體成本被最小化。純氧和氮?dú)饪稍诟呋厥章仕较?，因此在所希望的低的操作和資金成本下方便地制造，這源自于與實(shí)施本發(fā)明有關(guān)的相對(duì)低壓縮比率和設(shè)備容量要求。PSA領(lǐng)域的一個(gè)顯著進(jìn)步因此通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而實(shí)現(xiàn)，尤其是從在節(jié)省經(jīng)濟(jì)的真空循環(huán)操作中從空氣中適宜地生產(chǎn)出較大量的純氧以及氮的方面而言。
根據(jù)以上內(nèi)容顯然可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行許多修改和變化。因此可以理解，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明可按照以上具體描述之外的其它方式而實(shí)施。
權(quán)利要求
1.用于從加料氣體混合物中共生產(chǎn)較容易吸附的氣體組分和不太容易吸附的氣體組分的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，包括將加料氣體加料到至少一個(gè)包含用于去除非所需組分的吸附劑材料的吸附劑床，并隨后在該床中在吸附、解吸和共清洗較容易吸附的氣體組分的循環(huán)序列中通過(guò)保持該方法的共清洗加料氣體比率低于約1.15∶1而得到低于約3∶1的較容易吸附的氣體組分與不太容易吸附的氣體組分的產(chǎn)品比率。
2.權(quán)利要求1的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中較容易吸附的氣體組分是氮而不太容易吸附的氣體組分是氧。
3.權(quán)利要求1的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中加料氣體混合物是空氣。
4.權(quán)利要求1的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中氮與氧的產(chǎn)品比率是約2∶1。
5.權(quán)利要求1的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中共清洗加料氣體的比率低于1.05∶1。
6.權(quán)利要求1的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中所述吸附劑包含至少一種沸石選自X型沸石，A型沸石和天然存在的沸石，其包含一價(jià)、多價(jià)或混合陽(yáng)離子。
7.權(quán)利要求6的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中吸附劑是LiX。
8.權(quán)利要求6的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中吸附劑材料的平均顆粒尺寸是約0.5-2.0mm。
9.權(quán)利要求8的壓力回轉(zhuǎn)吸附/解吸方法，其中共清洗加料氣體的比率低于1.05∶1。
10.用于共生產(chǎn)較容易吸附的氣體組分和不太容易吸附的氣體組分的系統(tǒng)的壓力回轉(zhuǎn)吸附方法，其中所述較容易吸附的氣體組分與所述不太容易吸附的氣體組分的產(chǎn)品比率低于約3∶1，進(jìn)行該共生產(chǎn)的吸附系統(tǒng)具有至少兩個(gè)包含能夠從所述加料氣體混合物中選擇性地吸附所述較容易吸附的氣體組分和所述不太容易吸附的氣體組分的吸附劑材料的吸附劑床，包括所述加料氣體混合物被引入床的加料端，所述較容易吸附的氣體組分從所述加料端被取出和所述不太容易吸附的氣體組分從床的出料端被取出，同時(shí)保持共清洗加料氣體比率低于約1.15∶1；每個(gè)床在交替的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工循環(huán)序列，包括(a)將不太容易吸附的組分引入床的出料端以將該床從低于大氣壓的解吸壓力水平部分逆流再加壓至中間壓力水平；(b)使加料氣體混合物通入床的加料端，所述床從所述中間壓力被并流再加壓至上吸附壓力，其中所述不太容易吸附的氣體組分被選擇性地從床的出料端取出，一部分所述不太容易吸附的氣體組分作為產(chǎn)品被取出，剩余部分的所述不太容易吸附的氣體組分直接通入該系統(tǒng)的另一床中以用于步驟(a)的所述逆流回填再加壓或用于床的清洗和/或通入氣室以備隨后用于這些回填或清洗步驟；(c)使較容易吸附的氣體組分在所述上吸附壓力下通入床的加料端，由此并流清洗所述床，而共清洗加料氣體比率低于約1.15∶1，和所述不太容易吸附的氣體組分從床的出料端被取出；(d)通過(guò)從床的加料端排出所述較容易吸附的氣體組分而逆流解壓床；(e)通過(guò)將所述不太容易吸附的氣體組分引入床的出料端而逆流清洗該床并將所述較容易吸附的氣體組分從床的加料端出料，且所述較容易吸附的氣體從系統(tǒng)中被取出，排放或被儲(chǔ)存在氣室中以用作方法中的清洗氣體；和(f)在循環(huán)基礎(chǔ)上重復(fù)步驟(a)-(e)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于從加料氣體混合物如空氣中回收較容易吸附的組分如氮，和較大量的不太容易吸附的組分如氧的壓力回轉(zhuǎn)吸附方法，其中氮與氧的比率低于約3∶1且該方法的共清洗加料氣體比率保持低于約1.15∶1。
文檔編號(hào)C01B21/04GK1599636SQ02824181
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月3日
發(fā)明者B·T·紐, J·斯莫拉雷克, A·C·羅辛斯基, M·W·阿克利 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司