專利名稱：利用變壓吸附處理氣體混合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用三個吸附床類型的變壓吸附處理氣體混合物，尤其是空氣的方法，對給定的額定產(chǎn)量來說，其中的每一個吸附床中，從一個吸附床到另一個吸附床，一個循環(huán)被分成額定循環(huán)期間的三分之一，該循環(huán)進行包括下述的相繼步驟(a)在循環(huán)高壓下的實質(zhì)上的等壓吸附步驟，被處理的氣體混合物在吸附床中沿所謂并流的方向進行循環(huán)；(b)解吸步驟，包括到循環(huán)的低壓為止的泵送階段，所述低壓小于大氣壓力，利用連續(xù)運行的恒速真空泵在接近大氣壓力下送氣來進行；和(c)到循環(huán)的高壓為止的吸附床的再升壓步驟。
本發(fā)明涉及利用變壓吸附和在真空下吸附床再生分離氣體混合物的方法，通常稱為“VSA”(真空變壓吸附法)。它特別適宜用于從空氣中生產(chǎn)不純的氧氣，稱為“VSAO2”。
對所謂的額定產(chǎn)量來說，VSAO2裝置的設(shè)備(吸附床、引入待處理氣體混合物的鼓風機或壓縮機、真空泵)是依一定的尺寸制造的，與所生產(chǎn)氧氣的給定流速、純度和壓力相適應(yīng)。因此，對額定產(chǎn)量來說，該設(shè)備是最佳化的。在一定時間內(nèi)，當對氧氣的需求小于額定流速時，該設(shè)備必須調(diào)節(jié)到這種新的流速。進行這種調(diào)節(jié)的已知方法如下(1)通過部分關(guān)閉氧氣產(chǎn)品閥，或者如果離開設(shè)備的氧氣要升壓，通過各成分的驅(qū)動作用來控制壓縮機的流速，簡單地降低抽出氧氣的速度。
這種方法有兩個缺點一方面，生產(chǎn)的氧氣純度是變化的，而另一方面，降低產(chǎn)量設(shè)備能耗卻未相應(yīng)地減少，這就增加了生產(chǎn)氧氣的專門費用。
(2)機器間歇操作。這種操作需要機器多次重復(fù)開動，與它們的可靠性和/或氧氣的大緩沖容量設(shè)備不相容。
(3)利用可變速馬達驅(qū)動輸入鼓風機(或壓縮機)和真空泵，使循環(huán)時間延長了，同時維持額定操作的壓力。
實際上，這種方法的缺點在于這種設(shè)備昂貴和在額定流速下由于可變速控制器的操作需要額外的能耗。
(4)使用較貴的多級調(diào)速馬達，僅能獲得很窄范圍的最佳減速，例如在100％和50％的額定流速下操作。
本發(fā)明的目的同在于降低所生產(chǎn)氣體的流速，而基本上不增加投資，不改變所生產(chǎn)的氣體的純度，而且還伴隨著降低能量。
為此，本發(fā)明的目的是提供一種上述類型的方法，在該方法中，當產(chǎn)品的流速降低時，在循環(huán)的持續(xù)期間內(nèi)，就提高真空泵的平均吸入壓力。
本發(fā)明的方法包括一個或幾個下述的特征—當產(chǎn)品的流速降低時，在解吸步驟的一個階段，真空泵的吸入口只與壓力高于額定操作期間真空泵的平均吸入壓力的，尤其是接近大氣壓力下可得到的輔助氣的外部氣源連接；—循環(huán)周期被延長所述階段期間的3倍；—當產(chǎn)量流速在至少循環(huán)的某一階段期間下降時，泵的吸入口既與一吸附床連接又與壓力高于額定操作期間真空泵的平均吸入壓力、尤其是接近大氣壓力下可得到的輔助氣外部源連接；—循環(huán)的上述階段與整個循環(huán)相等；—輔助氣是空氣或來自吸附床的殘余氣；—當產(chǎn)品流速降低時，在吸附步驟的最后階段期間，離開吸附床的氣體輸送到另一吸附床的出口，該吸附床的入口與真空泵的吸入口連接。
本發(fā)明的另一目的是上述方法被應(yīng)用于一種循環(huán)，其中對額定產(chǎn)量來說—解吸步驟包括一并流減壓階段，隨后反向地，即所謂的逆流泵送，和—再升壓步驟，包括利用來自并流減壓階段中的另一個吸附床的氣體的逆流清洗階段，隨后利用來自吸附步驟中的另一個吸附床的氣體的逆流再升壓階段。
在這種方式的應(yīng)用中，在本發(fā)明的一個實施方案中，當產(chǎn)品流速降低時，較早地進行從并流減壓階段到逆流泵送階段的改變。
現(xiàn)在本發(fā)明實施方案的一些實例將參考附圖來進行描述，其中—

圖1圖示了實施本發(fā)明方法的VSAO2裝置；—圖2圖解說明本發(fā)明應(yīng)用的VSA循環(huán)；和—圖3—7是降低產(chǎn)品流速的本發(fā)明方法五個實施方案的各自相似的圖解說明。
圖1所示的裝置是打算用來生產(chǎn)富氧空氣，或不純的氧氣，其濃度優(yōu)選為約90—95％，從未純化的空氣中來生產(chǎn)。該裝置包括三個吸附床1—3，設(shè)置了一風扇或一鼓風機5的入口管4，泵送管6，在其中設(shè)置了與大氣相通的真空泵7，和產(chǎn)品管8，用來輸送富氧空氣，每個吸附床為圓筒形結(jié)構(gòu)，并包括下部的入口1A—3A和上部的出口1B—3B。吸附床內(nèi)裝置有優(yōu)先吸附氮氣(相對于氧氣和氬氣)的吸附劑，特別是5A或13X型分子篩。在每個吸附床的底部，每個吸附床可任意地裝有一層具有干燥作用的另一種吸附劑，特別是氧化鋁或硅膠。真空泵7是一種正位移泵，例如Roots型。
管4利用相應(yīng)的閥9—1至9—3與每個吸附床的入口相連接。相似地，管6利用相應(yīng)的閥10—1至10—3與每個吸附床的入口相連接。管8利用相應(yīng)的閥11—1至11—3與每個吸附床的出口相連接。
而且，真空泵的吸入口經(jīng)設(shè)置了閥13的管口通入大氣。
利用這種裝置，在一個吸附床的情況下，圖2中所描述的一個循環(huán)是根據(jù)吸附床1進行的富氧空氣的額定產(chǎn)量的情況。如果T表示循環(huán)持續(xù)期間，吸附床2的操作可以由T通過輪班時間T/3進行推斷，而吸附床3的操作可以通過輪班時間2T/3進行推斷。在這個說明實例中，例如可以選擇一個循環(huán)的持續(xù)期間為1分鐘—幾分鐘。連續(xù)地并穩(wěn)速地驅(qū)動機器5和7。
在圖2中，時間t以橫座標表示，絕對壓力P以縱座標表示，利用帶箭頭的直線表示氣流的運動方向和目標；當箭頭與縱座標平行時，它們表示在吸附床中的移動方向當箭頭指向縱座標增加的方向(指向圖形頂端)時，在該吸附床中氣流的方向是并流；如果該向上箭頭位于吸附床壓力指示線以下，氣流就通過吸附床的入口端進入該吸附床；如果箭頭向上，位于壓力指示線上方，氣流就通過吸附床的出口端離開該吸附床，在吸附步驟中，入口端和出口端分別是所述的吸附階段中吸附床的待處理氣體和從這種相同的吸附床排出氣體的；當箭頭指向縱座標減少的方向(指向圖形底部)，在吸附床中的氣流為逆流。如果箭頭向下，位于吸附床的壓力指示線以下，氣流通過吸附床的入口端離開該吸附床；如果箭頭向下，位于壓力指示線以上，氣流通過吸附床的出口端進入該吸附床，在吸附步驟中，入口端和出口端總是待處理氣體和抽出氣體的。而且，實線表示專門施加到一個吸附床的氣流，而虛線表示來自其它吸附床的氣流。
現(xiàn)在，描述一個吸附床的例如吸附床1完整的循環(huán)，參考圖1和2，在圖2的實例中，循環(huán)在兩個極端壓力之間改變，即在一高或最大壓力PM(PM在大氣壓力和1.2巴絕對壓力之間)和一低或最小壓力PM(PM在100—400mb之間)之間改變，這就解釋了使用鼓風機5和真空泵7的原因。
圖2的循環(huán)包括(a)t＝0—T/3，在PM壓力下的等壓吸附步驟，在此期間，待處理的空氣進入吸附床，并在吸附床中并流移動，而氣體(富氧空氣)在吸附床的出口排出。這個步驟分成兩個階段(a1)從t＝O—t1，全部排出氣體構(gòu)成產(chǎn)品氣，也就是說，空氣富集到95％的氧氣(這種產(chǎn)品氣體在下文中使用一個詞“氧”來稱謂)；(a2)從t1至T/3，部分的排出氣體構(gòu)成產(chǎn)品氣，而剩余部分輸送到再壓縮步驟的另一吸附床的出口；(b)從T/3至2T/3，為解吸步驟，它可分成兩個階段(b1)從T/3至t2，其中t2—T/3＝t1為并流減壓階段，在此期間，從吸附床的出口排出的氣體被輸送到再壓縮步驟始端的另一吸附床的出口；和(b2)從t2至2T/3為逆流泵送階段，在此期間，吸附床的入口與真空泵7的吸入口連接；(c)從2T/3至T，為再壓縮步驟，它分成兩個階段(c1)從2T/3至t3，其中t3—2T/3＝t1，為泵壓清洗的階段，其中吸附床通過其出口收集在并流減壓階段(b1)中來自另一個吸附床出口的氣體，而通過真空泵7逆流泵入低流速的氣體；和(c2)從t3至T，為使用來自吸附步驟(a2)中的另一個吸附床的出口的氣體進行逆流再壓縮的階段。
對氧氣的需要減少時，按照本發(fā)明的第一實施方案修改循環(huán)，圖3中描述了這種方法。
在階段(b1)結(jié)束和階段(b2)開始之間，插入—期間為Δt的附加階段(b3)，在此期間，關(guān)閉吸附床的兩端，而真空泵7的吸入口與大氣相通。(a2)和(c2)階段延長相同的期間Δt，因此，循環(huán)的整個期間變?yōu)門＋3Δt。
優(yōu)選地，為了使吸附床的再生情況與額定操作相同，在每個步驟期間，希望吸附床處理相同數(shù)量的氣體，也就是說，應(yīng)適合下述關(guān)系Fr×(T/3＋Δt)＝Fn×T/3
式中Fr和Fn分別表示降低的流速和額定流速。
由上述關(guān)系式得到Δt＝T/3×(Fn－Fr)/Fr這樣，降低流速，就提高泵的平均吸入壓力，并且減少了該泵界面處的壓力差，由于泵加速，因此每單位時間泵送體積是一常數(shù)，泵所耗的能量就減少。
另一方面，在步驟(b)的另一時刻，附加的階段(b3)開始，在圖4的實例中，它是位于步驟(b)結(jié)束時，也就是說當吸附床位于循環(huán)的低壓Pm時。
在降低流速時，圖3和4的方法能節(jié)省相當部分的能量。因此，在流速降到一半時，可以節(jié)省在額定操作中所耗能量的三分之一。
在圖5的實例中，在降低流速下操作，通過使泵的吸入口不僅連續(xù)地與階段(b2)和c1)過程中的吸附床出口連接，而且也經(jīng)管12和開啟達預(yù)定程度的閥13與大氣相通提高泵的吸入壓力，而不改變循環(huán)期間T。在瞬時t2和T之間，從圖2相同的虛線至實線，圖中的曲線向上變形。
在這個實例中，在降低流速操作時，吸附劑沒有完全再生不會產(chǎn)生嚴重不利的后果，圖為吸附劑可利用的體積是過量的。
供選擇地，管12可以與另一適宜的氣源，例如壓力高于在額定運行期間真空泵的平均吸入壓力的可得到的裝置的殘余氣源連接。
另外，只有在循環(huán)的一部分期間內(nèi)，利用定時系統(tǒng)或在預(yù)定的低壓下起動，才可以用輔助氣源。
在圖6的實例中，從瞬時T/4＜T3至T/3，在低流速操作中，所生產(chǎn)的一部分氧氣被抽取出來，被輸送到步驟(b)結(jié)束時的另一吸附床的出口，而該吸附床的入口與真空泵的吸入口連接。這樣，從瞬時t5至2T/3，該吸附床進行附加的清洗和預(yù)壓縮。
另一方面，圖6用虛線還表示出了相應(yīng)于額定操作的曲線，而在另一方面，用實線示出了在減速下的操作。實驗同樣表示，低的流速伴隨有泵的低能耗。
實際上，圖7的實例與圖6不同，而且，在右邊并流減壓階段(b1)伴隨階段(c1)一樣也縮短了。因此，節(jié)省的能量進一步增加。
應(yīng)當理解，隨著產(chǎn)物排出流速的降低圖3—7描述的額定循環(huán)的各種變化可以在適宜的情況下相互結(jié)合或交替采用。
而且，應(yīng)當指出，本發(fā)明不僅在降低產(chǎn)品流速時和以穩(wěn)定純度生產(chǎn)氧時能節(jié)能，而且在所生產(chǎn)氧的純度降低的情況下和不降低產(chǎn)品流速時也能節(jié)能。
權(quán)利要求
1.采用三個吸附床(1—3)型的變壓吸附法處理氣體混合物，尤其是空氣的方法，對給定額定的產(chǎn)量來說，在三個吸附床的每一個吸附床中，從一個吸附床到另一個吸附床，一個循環(huán)被分成額定循環(huán)期間(T)的三分之一，該循環(huán)進行包括如下相繼步驟(a)在循環(huán)的高壓(PM)下，實質(zhì)上的等壓吸附步驟，被處理的氣體混合物在吸附床中沿所謂的并流方向進行循環(huán)；(b)解吸步驟，包括到循環(huán)的低壓(pm)為止的泵送階段(b2)，Pm低于大氣壓，利用連續(xù)運行的穩(wěn)速真空泵(7)在接近大氣壓下排氣；和(c)達到循環(huán)的高壓為止的吸附床再壓縮步驟，其中，當產(chǎn)品流速降低時，在循環(huán)期間提高真空泵的平均吸入壓力。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中，當產(chǎn)品流速降低時，在解吸步驟階段部分期間(b3)，真空泵(7)的吸入口只與壓力高于在額定操作期間的真空泵的平均吸入壓力，特別是接近大氣壓力下可得到的外部輔助氣源相連接。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中循環(huán)期間延長到上述部分期間(b3)的期間(Δt)的三倍。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中當產(chǎn)品流速降低時，在循環(huán)的至少一部分期間內(nèi)，真空泵(7)的吸入口與吸附床(1—3)中的一個和壓力高于在額定操作下的真空泵的平均吸入壓力，特別是接近大氣壓力下可得到的外部輔助氣源相連接。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中循環(huán)的所述部分期間等于整個循環(huán)。
6.按照權(quán)利要求2的方法，其中輔助氣是空氣，或是吸附床(1—3)的殘余氣。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中當額定產(chǎn)物排出流速降低時，在吸附步驟(a)的最后階段，離開吸附床的氣體輸送到另一個吸附床的出口，而該吸附床的入口與泵(7)的吸入口相連接。
8.按照權(quán)利要求1的方法在一個循環(huán)中的應(yīng)用，其中對額定產(chǎn)量來說—解吸步驟(b1)包括并流減壓階段(b1)，隨后在相反方向，既所謂逆流泵送的階段(b2)和—再壓縮步驟(c)包括利用來自并流減壓階段(b1)中的另一個吸附床的氣體進行逆流清洗的階段(c1)，隨后利用來自吸附步驟(a)的另一個吸附床的氣體進行逆流再壓縮的階段(c2)。
9.按照權(quán)利要求8的應(yīng)用，其中當產(chǎn)品流速降低時，從階段(b1)變到階段(b2)較早的進行。
全文摘要
對三個吸附床(1-3)中的每一個吸附床來說，循環(huán)包括實質(zhì)上的等壓并流吸附步驟，包括利用連續(xù)運行的穩(wěn)速真空泵(7)的真空泵送階段的解吸步驟和再升壓步驟(c)。當產(chǎn)品流速降低時，在循環(huán)的期間內(nèi)，提高真空泵的平均吸入壓力。應(yīng)用本發(fā)明的方法從空氣中生產(chǎn)不純的氧氣。
文檔編號B01D53/04GK1123711SQ9510708
公開日1996年6月5日 申請日期1995年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月27日
發(fā)明者C·莫尼里, W·佩特里, C·巴爾比, M·埃克拉奇爾, X·維果 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司