一種能提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于氣體分離【技術領域】，具體為一種能提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)。本實用新型的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，第一級PSA為裝有常規(guī)沸石等氮吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氮分離變壓吸附分離系統(tǒng)，第二級PSA為裝有氧選擇性等吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氬分離變壓吸附分離系統(tǒng)；本實用新型是對現(xiàn)有兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)的改進，即在第一級PSA與第二級PSA之間設置一貧氧氣回收回路，將第二級PSA產(chǎn)出的富含氬氣的貧氧廢氣返回至第一級PSA，作為預充壓氣體及清洗氣體。本實用新型按照規(guī)定工步運行，可顯著提高氧氣回收率，因而也提高了總的氧氣回收率。
【專利說明】一種能提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于氣體分離【技術領域】，具體涉及一種兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]變壓吸附(PSA)是一種重要的、具有廣泛應用的氣體分離方法，變壓吸附制氧方法是低溫深冷制氧工藝的重要補充，用于由空氣流生產(chǎn)氧氣的傳統(tǒng)PSA法通常采用如CaA，CaX, NaX, LiX型等氮吸附劑基于平衡吸附理論制氧，因這些吸附材料對氮氣的吸附能力比氧氣強，也即選擇性，通常選擇性達到3以上即可實現(xiàn)能效比不錯的工業(yè)制氧，改良的合成沸石氧氮的選擇性可以高達10，而且還在不斷的突破，這樣的選擇性結合合理的分離流程甚至可以實質上做到氮氣和氧氣間的完全分離，但是，針對空氣組分中的氬氣，因氧氣和氬氣在這些吸附材料上的吸附等溫線幾乎相同，常規(guī)的這些合成沸石對原料空氣中的氧氣與氬氣基本無選擇性，即使假定所有氮氣均被沸石吸附，富氧產(chǎn)品氣流中也因含有約5%的氬氣，從而使得采用常規(guī)的這種吸附氮氣的基于平衡吸附理論基礎PSA法一般不能產(chǎn)生氧氣濃度大于95%的產(chǎn)品氣,一般分離僅限制于88?95.7%的氧氣產(chǎn)品,這就大大限制了需要純度更高的諸如切割、醫(yī)療等氧氣應用(需要大于97%以上的氧氣，甚至需要99.5%以上的高純度氣體)。
[0003]因此，基于吸附方法來獲得更高的氧氣純度，人們不得不采用更為復雜的多級變壓吸附系統(tǒng)，國內專利CN1226142A就揭示了一種采用多級變壓吸附獲得了純度98.4%的變壓吸附方法，以沸石氮吸附劑祛除大量的氮氣，以基于動力學分離特性的碳分子篩實現(xiàn)氧氬的分離，兩級吸附系統(tǒng)采用了不同傳質機理，其前級采用了基于平衡吸附傳質機理的吸附系統(tǒng)，后級采用了基于動力學分離機理的吸附系統(tǒng)，盡管以單一動力設備實現(xiàn)了分離過程，但顯然其15%的氧氣回收率大大限制了其應用。
[0004]多級變壓吸附在國外有代表性的分離方法主要以US4190424、US4959483、US4913339、US5395427、US5137549、US4190424、US4959083、US5226933 和 US5470378 為代表，現(xiàn)有的這些技術的多級PSA系統(tǒng)采用了至少兩級PSA，有的采用了氮吸附劑首先由進料空氣流產(chǎn)生含氧濃度大于95.0%的產(chǎn)品氣，再以碳分子篩組成的第二吸附床層分離其中的氬氣，有的先采用基于動力學分離原理的碳分子篩獲得貧氬富氧氣體再以采用基于平衡吸附理論的氮吸附劑繼續(xù)富集以生產(chǎn)高純度氧氣，但在其采用的各種方法中，即在兩段或者多段式PSA法中至少有兩個不同的傳質區(qū)，更典型的特征是至少在其中的一個傳質區(qū)采用了動力學分離原理的碳分子篩來實現(xiàn)氧與氬的分離，其系統(tǒng)循環(huán)復雜、采用了大量的緩沖罐、動力設備為獲得更高的氧氣產(chǎn)品進行必要的清洗、置換或排代步驟，能源消耗巨大、造價聞昂。
[0005]中國專利CN201930684U揭示了一種氧氬混合氣非深冷變壓吸附分離裝置，采用兩個相同并均基于平衡吸附傳質機理的串聯(lián)吸附系統(tǒng)構建了一種分離流程，實現(xiàn)了氧氮氬分離，但是，因其流程構建的不足，導致其后級氧氬分離系統(tǒng)的氧氣回收率仍然局限于50%以下，如前級變壓吸附制取93%純度氧氣的氧氮分離系統(tǒng)的氧氣回收率為50%，則該串聯(lián)的兩級變壓吸附系統(tǒng)總的氧氣回收率局限于25%以下，應用受到一定程度的限制。
[0006]中國專利CN101733070A揭示了一種氧氮氬混合氣的分離流程，采用兩個相同的基于平衡吸附傳質機理的串聯(lián)吸附系統(tǒng)構建了一種分離流程，可實現(xiàn)氧氮氬分離，但是，因其流程構建的不足，導致其后級氧氬分離系統(tǒng)的氧氣回收率仍然局限于50%以下，如前級變壓吸附制取93%純度氧氣的氧氮分離系統(tǒng)回收率為50%，則系統(tǒng)總體的氧氣回收率局限于25%以下，應用受到一定程度的限制。

【發(fā)明內容】

[0007]本實用新型的目的在于針對前述現(xiàn)有技術的不足而提供一種可提高氧氣回收率的基于平衡吸附傳質機理的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，并提供該系統(tǒng)的控制操作方法。
[0008]本實用新型提出的可提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，如圖1所示，其中，第一級PSA為裝有常規(guī)沸石等氮吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氮分離變壓吸附分離系統(tǒng)，第二級PSA為裝有氧選擇性等吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氬分離變壓吸附分離系統(tǒng)；本發(fā)明是對現(xiàn)有兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)的改進，即在第一級PSA與第二級PSA之間設置了一貧氧氣回收回路，并按照規(guī)定工步(步驟，也稱為時序)運行，從而顯著提高氧氣回收率，因而也提高了總的氧氣回收率。
[0009]現(xiàn)有兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，其結構和流程如圖2所示，第一級PSA為裝有常規(guī)沸石等氮吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氮分離變壓吸附分離系統(tǒng)，第二級PSA為裝有氧選擇性等吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氬分離變壓吸附分離系統(tǒng)；其中，第一級PSA包括至少兩個吸附塔(圖中標為第一吸附塔IOlA和第二吸附塔101B)、第一緩沖罐P1，還包括各種控制閥門及連接管路，控制閥門包括VIA、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C等，這些控制閥門和管路分別組成吸附塔之間組成下述回路:
[0010]進氣回路，用于將經(jīng)預處理的壓縮空氣輸入吸附塔，該回路包括輸入管路，及對應于吸附塔的切換閥門(圖中標為VIA、VlB)；
[0011]廢氣排除回路:用以選擇性的將吸附塔吸附的氮氣、氬氣等廢氣自進料端排除，該回路包括輸出管路，及對應于吸附塔的切換閥門(圖中標為V2A、V2B)，以及消音器XYQlOl ；
[0012]富氧產(chǎn)出回路:用以選擇性的將吸附塔產(chǎn)出的富氧氣體(一級產(chǎn)品氣)送至第一緩沖罐Pl ;圖中標為:兩個吸附塔處口之間的連接管路，及對應于兩個吸附塔切換閥門V3A、V3B ;該回路通過管路與第一緩沖罐Pl連通；
[0013]控制轉移回路(即均壓回路):用于將一個吸附塔產(chǎn)物端的氣體轉移至另外一個吸附塔的進料端。圖中標為:第一吸附塔IOlA的產(chǎn)物端與第二吸附塔IOlB的進料端之間的連接管路及切換閥門V4B，第二吸附塔IOlB的產(chǎn)物端與第一吸附塔IOlA的進料端之間連的接管路及切換閥門V4A;
[0014]清洗回路，用以選擇性的將第一緩沖罐Pl的富氧產(chǎn)品氣體送入吸附塔的出口端；圖中標為:兩個吸附塔處口之間的連接管路，及對應于兩個吸附塔切換閥門V5A、V5B ;控制清洗與轉移回路通過管路與第一緩沖罐Pl連通，在該管路上設有控制閥門V5C，用以控制清洗用的氣體流量；
[0015]第一級PSA的吸附塔中填充氮吸附劑；
[0016]第二級PSA包括至少兩個吸附塔(圖中標為第三吸附塔201A和第四吸附塔201B)、一個壓縮機AB201、一個第二緩沖罐P2、一個第三緩沖罐P3、一個第四緩沖罐P4，以及各種連接管路和管路上必要的控制閥門；第二級PSA的吸附塔中填充氧選擇性等吸附劑，該吸附劑能從含氧、氬混合氣中吸附氧氣；第二緩沖罐P2與吸附塔的出口端通過控制閥門相連通，用以接受自吸附塔富集的難以被吸附劑吸附的廢氣，以及將接收的廢氣送回到吸附塔的出口端進行預充壓；第三緩沖罐P3與吸附塔的出口端通過控制閥門相連通，用以接收自吸附塔富集的難以被吸附劑吸附的廢氣，以及將接收的工藝氣體送回到吸附塔的出口端進行置換吸附劑氣相的高純度氣體，并借助壓縮機AB201 (或者真空泵)作為產(chǎn)品輸出，或者排向一個并非完全必要的產(chǎn)品氣緩沖罐；壓縮機AB201與吸附塔的入口端通過控制閥門相連通，用以將被吸附塔吸附的氣體通過控制閥門自吸附塔中取出；各種連接管路和管路上必要的控制閥門組成下述回路:
[0017]進料回路:用于把第一級PSA中第一緩沖罐Pl即產(chǎn)品氣緩沖罐的氣體引入第二級PSA的吸附塔中；該回路包括對應于各吸附塔的切換閥門(圖中標示為V6A、V6B)，以及必要的連接管線；
[0018]富氧產(chǎn)出回路:用以選擇性的將吸附塔與壓縮機AB201通過控制閥門相接通，將氣體自吸附塔取出，輸送至產(chǎn)品氣緩沖罐P4;該回路包括對應于各吸附塔的切換閥門(圖中標示為V7A、V7B)和對應于產(chǎn)品氣緩沖罐P4的控制切換閥門(圖中標示為V7C)，以及必要的連接管線；
[0019]貧氧氣體輸出回路:用以選擇性的將貧氧氣體轉移到第二緩沖罐P2或者將第二緩沖罐P2的氣體轉送入吸附塔的出口端，該回路包含對應于各吸附塔的切換閥門(圖中標示為V8A、V8B)和對應于第二緩沖罐P2的控制切換閥門(圖中標示為V8C)，以及必要的連
接管線；
[0020]貧氧氣體轉移與置換回路:用以選擇性的將貧氧氣體轉移到第三緩沖罐P3或者將第三緩沖罐P3的氣體轉送入吸附塔的出口端，該回路包含對應于各吸附塔的切換閥門(圖中標示為V9A、V9B)和對應于第三緩沖罐P3的控制切換閥門(圖中標示為V9C)，以及必要的連接管線；
[0021]置換清洗回路，用以將更高純度的產(chǎn)品氧氣體轉移到吸附塔的入口端，該回路包含對應于各吸附塔的切換閥門(圖中標示為V10A、V10B)，與第四緩沖罐P4之間的控制切換閥門(V10C)，以及必要的連接管線；該回路是優(yōu)選的，非必要的；
[0022]產(chǎn)品氣、廢氣出口(如緩沖罐P2、緩沖罐P4出口)段分別具有可調節(jié)流量、控制輸出壓力的閥門V8D、V6F以及必要的連接管線；
[0023]還包括如公知技術的，一套完整的控制組件，用以對回路上的閥件進行必要的操作控制以及對壓縮機進行必要的操作控制。
[0024]本實用新型中，將上述第二級PSA中貧氧氣體輸出回路改為貧氧氣體回收回路，即在第二級PSA的貧氧氣體輸出回路中，刪去第二緩沖罐P2，而在切換閥門V8C出口與第一級PSA中的切換閥門V5C的入口之間用管路連接，并在該管路上設置單向閥DXF8A，構成貧氧氣體回收回路。
[0025]經(jīng)本實用新型改進的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，其第一級PSA以采用氮吸附劑基于平衡吸附理論的變壓吸附系統(tǒng)進行氧氮分離，產(chǎn)生的富含氧、氬組分的混合氣，其組分約02，90-95%; Ar, 4?5%，其余為氮，如公知變壓吸附技術，其氧氣回收率通常為42?60% ；第二級PSA采用氧選擇性吸附劑基于平衡吸附理論的變壓吸附系統(tǒng)進行氧氬分離，并將其中第二級氧氬分離系統(tǒng)產(chǎn)生的貧氧氣體回收至其中第一級氧氮分離系統(tǒng)，氧氣的總回收率得到顯著了顯著的提高，可達30?35%，較傳統(tǒng)技術提高了 5-10%。
[0026]有關本實用新型中的部分名字釋義如下:
[0027]所說的產(chǎn)品氣，是指較容易被吸附劑吸附的氣體，如相對氧選擇性吸附劑來說，氧氣較容易被氧選擇性吸附；
[0028]所說的廢氣，是指相對產(chǎn)品氣來說難以被吸附劑吸附的氣體，如氬氣、氮氣相對氧氣來說較難被氧選擇性吸附劑吸附；
[0029]所說的吸附塔，也可稱為吸附器、吸附床、分離器，是指裝填了至少一種比如上面所說的吸附劑的容器，吸附劑對混合氣體中較易吸附的組分有較強的吸附能力；
[0030]所述變壓吸附、吸附分離，PSA等詞，本專業(yè)的技術人員會承認，這些方法所指不僅是PSA方法,還包括與之類似的方法,如真空變壓吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合壓力變壓吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更寬廣的意義上理解，也就是說，對于周期性循環(huán)的吸附壓力、一種較高的壓力是相對于解吸步驟的更高的壓力，可以包括大于或等于大氣壓力，而周期性循環(huán)的解吸壓力，一種較低的壓力是相對于吸附步驟的更低的壓力，則包括小于或等于大氣壓力；
[0031]提到的壓力除注明是表壓，其它均指絕對壓力；
[0032]所述的難吸附組分，是指相對于較為容易吸附的組分而言，同樣的，易吸附組分則是指相對于較難吸附的組分而言。
[0033]附圖中，以V打頭的符號代表自動控制閥門:如V1A/V1B, V2A/V2B, V3A/V3B, V4A/V4B, V5A/V5B/5C, V6A/V6B/V6C/V6D/V6E/V6F, V7A/V7B/V7C/V7D, V8A/V8B/V8C/V8D, V9A/V9B/V9C, V10A/V10B/V10C,等等，都是自動控制閥門，它們可根據(jù)預先設定的邏輯開啟或關閉，當然，也可以是帶有流量控制調節(jié)性能的自動控制閥門，這些閥門可以是氣動控制的，也可以是電動、液壓控制的自動控制閥；
[0034]DXF8A，代表單向閥，也稱為逆止閥，止回閥；
[0035]01A，01B，101A，101B，201A，201B等是吸附塔編號，裝填有至少一種或多種吸附劑；
[0036]PI, P2，P3，P4等代表緩沖罐或稱為平衡罐；
[0037]AB01, AB101, AB201等代表壓縮機、升壓設備。
[0038]XYQlOl代表消咅器。
[0039]本實用新型通過在串聯(lián)的兩級分離系統(tǒng)的第二級氧氬分離系統(tǒng)中設置貧氧氣體回收回路，與現(xiàn)有技術相比較，系統(tǒng)的總回收率得到顯著的提高。本發(fā)明的兩級串聯(lián)并均基于平衡吸附機理的變壓吸附制氧系統(tǒng)(氧氮氬分離)，按照下述步驟運行:
[0040]一、經(jīng)公知技術預處理后的壓縮空氣進入第一級采用氮吸附劑基于平衡吸附理論的變壓吸附系統(tǒng)進行氧氮分離，自動閥門在按照如下表規(guī)定的切換，兩個吸附塔101A，101B異相順序運行，產(chǎn)生富含氧、氬組分的混合氣其組分約02:90-95%，Ar:4?5%，其余為氮，收集于Pl緩沖罐；其操作驟如下表:
[0041]
【權利要求】
1.一種能提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，其中，第一級PSA為裝有常規(guī)沸石等氮吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氮分離變壓吸附分離系統(tǒng)，第二級PSA為裝有氧選擇性等吸附劑的基于平衡吸附機理的氧氬分離變壓吸附分離系統(tǒng)；其特征在于:在第一級PSA與第二級PSA之間設置了一貧氧氣回收回路，用于將第二級PSA產(chǎn)出的富含氬氣的貧氧廢氣返回至第一級PSA，作為預充壓氣體及清洗氣體，最終自第一級PSA的排氣口排出系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的能提高氧氣回收率的兩級串聯(lián)變壓吸附制氧系統(tǒng)，其特征在于: 第一級PSA包括至少兩個吸附塔(101AU01B)、第一緩沖罐(Pl )，還包括各種控制閥門及連接管路，控制閥門包括VIA、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C，這些控制閥門和管路分別組成吸附塔之間組成下述回路: 進氣回路，用于將經(jīng)預處理的壓縮空氣輸入吸附塔，該回路包括輸入管路，及對應于吸附塔的切換閥門(VIA、VlB)； 廢氣排除回路:用以選擇性的將吸附塔吸附的氬氣等廢氣自進料端排除，該回路包括輸出管路，及對應于吸附塔的切換閥門(V2A、V2B)，以及消音器XYQlOl ； 富氧產(chǎn)出回路:用以選擇性的將吸附塔產(chǎn)出的富氧氣體即一級產(chǎn)品氣送至第一緩沖罐(PD ;該回路包括:兩個吸附塔處口之間的連接管路，及對應于兩個吸附塔切換閥門(V3A、V3B);該回路通過管路與第一緩沖罐(Pl)連通； 控制轉移回路:用于將 一個吸附塔產(chǎn)物端的氣體轉移至另外一個吸附塔的進料端；該回路包括:第一吸附塔(101A)的產(chǎn)物端與第二吸附塔(101B)的進料端之間的連接管路及切換閥門(V4A)，第二吸附塔(101B)的產(chǎn)物端與第一吸附塔(101A)的進料端之間連的接管路及切換閥門(V4B)； 清洗回路，用以選擇性的將第一緩沖罐(Pl)的富氧產(chǎn)品氣體送入吸附塔的出口端；該回路包括:兩個吸附塔出口之間的連接管路，及對應于兩個吸附塔切換閥門(V5A、V5B);控制清洗與轉移回路通過管路與第一緩沖罐(Pl)連通，在該管路上設有控制閥門(V5C)； 第一級PSA的吸附塔中填充氮吸附劑； 第二級PSA包括至少兩個吸附塔(第三吸附塔201A、第四吸附塔201B)、一個壓縮機(AB201)、一個第三緩沖罐(P3)、一個第四緩沖罐(P4)，以及各種連接管路和管路上必要的控制閥門；第二級PSA的吸附塔中填充氧選擇性吸附劑，該吸附劑能從含氧、氬混合氣中吸附氧氣；第三緩沖罐(P3)與吸附塔的出口端通過控制閥門相連通，用以接收自吸附塔富集的難以被吸附劑吸附的廢氣，以及將接收的工藝氣體送回到吸附塔的出口端進行置換吸附劑氣相的高純度氣體，并借助壓縮機(AB201)作為產(chǎn)品輸出，或者排向一個并非完全必要的產(chǎn)品氣緩沖罐(P4);壓縮機(AB201)與吸附塔的入口端通過控制閥門相連通，用以將被吸附塔吸附的氣體通過控制閥門自吸附塔中取出；各種連接管路和管路上必要的控制閥門組成下述回路: 進料回路:用于把第一級PSA中第一緩沖罐(Pl)即產(chǎn)品氣緩沖罐的氣體引入第二級PSA的吸附塔中；該回路包括對應于兩個吸附塔的兩個切換閥門(V6A、V6B),以及必要的連接管線； 富氧產(chǎn)出回路:用以選擇性的將吸附塔與壓縮機(AB201)通過控制閥門相接通，將氣體自吸附塔取出，輸送至產(chǎn)品氣緩沖罐(P4);該回路包括對應于兩個吸附塔的兩個切換閥門(V7A、V7B)和對應于產(chǎn)品氣緩沖罐(P4)的控制切換閥門(V7C)，以及必要的連接管線；貧氧氣體轉移與置換回路:用以選擇性的將貧氧氣體轉移到第三緩沖罐(P3)或者將第三緩沖罐(P3)的氣體轉送入吸附塔的出口端，該回路包含對應于兩個吸附塔的兩個切換閥門(V9A、V9B)和對應于第三緩沖罐(P3)的控制切換閥門(V9C)，以及必要的連接管線；置換清洗回路，用以將更高純度的產(chǎn)品氧氣體轉移到吸附塔的入口端，該回路包含對應于兩個吸附塔的兩個切換閥門(V10A、V10B)，與第四緩沖罐(P4)之間的控制切換閥門(V10C)，以及必 要的連接管線； 貧氧氣體回收回路，包括第二級PSA中第三、第四吸附塔的貧氧氣出口至第一級PSA中切換閥門V5C的入口之間的連接管路，以及該管路上對應于第二級PSA中第三、第四吸附塔的兩個切換閥門(V8A、V8B )、中間的控制切換閥門(V8C)、單向閥DXF8A。
【文檔編號】B01D53/047GK203724983SQ201420068873
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權日:2014年2月17日
【發(fā)明者】陳宗蓬, 劉安漣, 王晨, 申廣浩, 羅二平, 賈吉來, 謝東紅, 俞曉峰, 劉輝 申請人:上海穗杉實業(yè)有限公司