專(zhuān)利名稱(chēng):變壓吸附法回收熱量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及分離氣體時(shí)用的變壓吸附法(pressure swing adsor-ption)。更具體地說(shuō),本發(fā)明涉及廢熱在變壓吸附處理過(guò)程中的回收和利用。
變壓吸附(PSA)法是分離和提純氣體,例如用空氣分離法生產(chǎn)氧氣和氮?dú)鈺r(shí)值得采用的方法。PSA法包括下列過(guò)程(1)在較高的吸附壓力下有選擇地吸附進(jìn)給氣體混合物中較易吸附的組分;(2)在較低的脫附壓力下脫附較易吸附的組分;(3)從較低的脫附壓力再升壓到較高的吸附壓力。這種處理過(guò)程及其調(diào)節(jié)是在PSA系統(tǒng)中進(jìn)行的。PSA系統(tǒng)通常有一個(gè)或多個(gè)吸附劑層,層上裝有吸附劑材料,能有選擇地從進(jìn)給氣體混合物不太容易吸附的組分吸附其中更容易吸附的組分。處理過(guò)程是在每一個(gè)層中在與系統(tǒng)中其它各層處理程序的執(zhí)行相互聯(lián)系的循環(huán)生產(chǎn)基礎(chǔ)下進(jìn)行的。市面上出售的各種各樣的吸附劑材料都適宜在PSA處理過(guò)程中使用。適合這類(lèi)用途的吸附劑材料有沸石分子篩材料,例如沸石5A和13X材料,這類(lèi)吸附劑材料能從進(jìn)給空氣中有選擇地吸附氮。
在PSA系統(tǒng)的處理過(guò)程中,吸附時(shí)放熱,脫附時(shí)吸附劑材料吸收熱量。因此,吸附劑層的溫度在吸附工序中必然升高,在脫附工序中必然下降。在一般的PSA處理過(guò)程中,例如在從空氣制氧和/或氮的過(guò)程中,氣體在吸附過(guò)程中的前向流量超過(guò)在脫附過(guò)程中的反向流量。因此,熱量有一前向凈流量,這必然降低PSA系統(tǒng)中使用的吸附劑層的平均溫度。
PSA法,特別是那些采用先進(jìn)吸附劑的PSA法,對(duì)吸附溫度非常敏感。這里所說(shuō)的先進(jìn)吸附劑是指那些對(duì)進(jìn)給氣體可吸附的選擇性較高的組分吸附能力強(qiáng)的吸附劑,例如LiX、CaX或其它由鈉沸石離子交換制取的沸石。PSA法,包括采用低于大氣壓的脫附壓力的真空變壓吸附(VPSA)法在內(nèi),看來(lái)在吸附劑層內(nèi)處于特定溫度下時(shí)處理效果最好?,F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,若沒(méi)有好好控制這個(gè)最佳溫度,則效果的變化可能會(huì)超過(guò)10%。值得注意的是,采用先進(jìn)吸附劑的VPSA系統(tǒng),其所使用的壓力比較傳統(tǒng)的PSA系統(tǒng)低。這樣,進(jìn)給空氣機(jī)(即壓縮機(jī))因壓縮熱而產(chǎn)生的熱量就較小。這使進(jìn)給氣體的溫度和由此得出的吸附劑溫度基本上隨環(huán)境條件的變化而變化。由于先進(jìn)的吸附劑為達(dá)到所要求的性能而要求一定的溫度,因而尋求不靠進(jìn)給空氣機(jī)而能有效地將熱加到吸附劑的方法,往往就變得很重要了。
由于供氣溫度與環(huán)境溫度有關(guān),因而光靠壓縮機(jī)壓縮空氣所產(chǎn)生的熱并不總是足以使吸附劑層達(dá)到所要求的溫度級(jí)。在暖和的環(huán)境條件下,吸附劑層自然而然達(dá)到充分的溫度級(jí),這時(shí)進(jìn)給空氣機(jī)的壓縮熱在進(jìn)給氣流中產(chǎn)生的熱量。會(huì)足以將吸附劑加熱到環(huán)境溫度以上,從而達(dá)到所要求的溫度級(jí)。然而,在壓縮熱不足以產(chǎn)生這么大的熱量時(shí),為了提高吸附劑的溫度和使系統(tǒng)達(dá)到最佳效能,就必須尋求加熱吸附劑或進(jìn)給空氣或其它進(jìn)給氣體的方法。在這方面,應(yīng)該指出的是,暖和和寒冷的環(huán)境溫度條件與特定的溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)進(jìn)給空氣機(jī)的壓縮熱產(chǎn)生足以使吸附劑層達(dá)到最理想溫度的熱量時(shí),就存在這里所需要的暖和條件;另一方面,當(dāng)處在寒冷條件時(shí),為達(dá)到最佳的處理溫度,就需要給VPSA或其它PSA系統(tǒng)加熱。
這之前,人們總是試圖加熱工作溫度低于最佳條件下的溫度的吸附劑層。雖然進(jìn)給空氣的壓縮熱是值得采用的熱源,但所產(chǎn)生的這些熱量并不能令人滿(mǎn)意地提高吸附劑層的溫度。有人提出過(guò)在吸附劑層的入口設(shè)一個(gè)對(duì)流式的熱交換器,這種熱交換器還用來(lái)增進(jìn)熱流的分布。還有人提出利用反應(yīng)所產(chǎn)生的暖和氣態(tài)產(chǎn)物,將其熱量直接傳送到吸附劑層。
然而,之前本技術(shù)領(lǐng)域仍然需要有一個(gè)控制吸附劑溫度以提高PSA/VPSA效能的改進(jìn)方法。具體地說(shuō),需要有一個(gè)裝置,它在控制吸附劑的溫度同時(shí)又提高整個(gè)系統(tǒng)能量的利用率。
因此,本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng),以控制PSA/VPSA空氣中或其它氣體分離處理過(guò)程中吸附劑的溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng),以提高在所要求的吸附劑層溫度條件下運(yùn)行的PSA/VPSA系統(tǒng)的能量利用率。
在上述和其它目的的基礎(chǔ)上,下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明涉及的一種變壓吸附法,用以在一個(gè)吸附系統(tǒng)中分離出含較易吸附組分和較難吸附組分的進(jìn)給氣體中的較易吸附組分,所述吸附系統(tǒng)有至少一個(gè)裝有能選擇地吸附所述較易吸附組分的吸附劑層,所述變壓吸附法有一套在各吸附劑層循環(huán)進(jìn)行的處理程序,它包括(1)在較高的吸附壓力下將進(jìn)給氣體混合物通入吸附劑層的進(jìn)料端,從吸附劑層的別一端抽出較難吸附的組分;(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力,同時(shí)從吸附劑層的進(jìn)料端排出較易吸附的組分;(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力,同時(shí)將進(jìn)給氣體混合物在程序(1)中通入吸附劑層之前在進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中壓縮到所述較高的吸附壓力,而且被所產(chǎn)生的壓縮熱加熱,所述改進(jìn)措施包括下述兩個(gè)方面(a)收集吸附系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量或一部分熱量;(b)利用收集到的廢熱預(yù)熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物,這時(shí)以較高的吸附壓力通入吸附劑層的進(jìn)給氣體混合物則已由所述收集到的廢熱和所述壓縮熱預(yù)熱過(guò);這樣就提高了處理過(guò)程能量的利用率,而且這種廢熱回收能達(dá)到的溫度高于在較低環(huán)境溫度下只壓縮進(jìn)給氣體混合物時(shí)所能達(dá)到的溫度;將從吸附劑層的另一端抽出的較難吸附組分壓縮到更高的壓力級(jí),然后從吸附系統(tǒng)加以回收,且包括下列工序(a)將進(jìn)一步壓縮過(guò)的較難吸附組分氣體通到一個(gè)熱交換器中,以便將進(jìn)一步壓縮該組分氣體所產(chǎn)生的壓縮熱傳給冷卻液;(b)將如此加熱過(guò)的冷卻液通入一個(gè)預(yù)熱器中,以便將所述壓縮熱傳給進(jìn)給氣體混合物,然后將所述進(jìn)給氣體混合物通入所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中。
它還包括這樣的工序?qū)⒁徊糠秩绱思訜徇^(guò)的冷卻流體轉(zhuǎn)移到所述預(yù)熱器附近,以調(diào)節(jié)從如此加熱過(guò)的冷卻流體傳給所述進(jìn)給氣體混合物的熱量;所述較低的脫附壓力低于大氣壓;它還包括下列工序通過(guò)一個(gè)處理用的鼓風(fēng)機(jī)抽取較易吸附的組分;從所述較難吸附的組分分離出暖排水,并將所述暖排水通入一個(gè)預(yù)熱器,以便將其中的廢熱傳給其中的進(jìn)給氣體混合物,然后將所述進(jìn)給氣體混合物通入所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中;它還包括下列工序?qū)⒄麄€(gè)吸附系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分安置在一個(gè)密閉建筑物中,以便從系統(tǒng)的各組成部分收集熱量用來(lái)預(yù)熱通入進(jìn)給氣體壓縮機(jī)之前的進(jìn)給氣體混合物;它還包括下列工序用生產(chǎn)過(guò)程用的鼓風(fēng)機(jī)抽取低于大氣壓的較易吸附組分;從所述較易吸附組分分離出暖排水,并將所述暖排水通入所述密閉建筑物中的一個(gè)收集槽,用所述暖排水輻射出的廢熱加熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的所述進(jìn)給氣體混合物;它還包括下列工序用所述密閉建筑物入口處一個(gè)過(guò)濾器抽取進(jìn)給氣體混合物;所述進(jìn)給氣體混合物由空氣組成;
在所述密閉建筑物內(nèi)在處理循環(huán)中排放壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)期間放出的進(jìn)給空氣;將所述暖排水通入安置在所述密閉建筑物內(nèi)的熱交換裝置,以便從所述暖排水回收廢熱將其排到密閉建筑物內(nèi)的大氣中。
本發(fā)明涉及的一種變壓吸附系統(tǒng),用以從含有較易吸附組分和較難吸附組分的進(jìn)給氣體混合物中分離出所述較易吸附組分,所述吸附系統(tǒng)有至少一個(gè)裝有能選擇吸附所述較易吸附組分的吸附劑的吸附劑層,所述吸附系統(tǒng)適宜在各層中循環(huán)進(jìn)行處理程序,該程序包括(1)在較高的吸附壓力下將進(jìn)給氣體混合物通入吸附劑層的進(jìn)料端,并從吸附劑層的另一端抽出較難吸附的組分;(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力,同時(shí)從吸附劑層的進(jìn)料端放出較易吸附的組分;(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力,同時(shí)用構(gòu)成整個(gè)吸附系統(tǒng)的一部分的一個(gè)進(jìn)給氣體壓縮機(jī)將工序(1)過(guò)程中通入吸附劑床之前的所述進(jìn)給氣體混合物氣壓縮到所述較高的吸附壓力;改進(jìn)措施包括增設(shè)了下列裝置(a)機(jī)械裝置,用以收集吸附系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢熱;和(6)預(yù)熱裝置,用以利用所收集的廢熱預(yù)熱通到進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物;這樣,吸附系統(tǒng)有效利用了其中產(chǎn)生的廢熱來(lái)預(yù)熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物,從而提高了所述吸附系統(tǒng)的能量利用率和總效能。
它包括(a)壓縮裝置,用以提高所述較易吸附的組分在其從吸附系統(tǒng)回收之前的壓力級(jí);(b)熱交換器,用以將所述壓縮裝置產(chǎn)生的壓縮熱傳到冷卻流體中;和(c)預(yù)熱裝置,用以將所述壓縮熱從冷卻流體傳到通入進(jìn)給氣體壓縮機(jī)之前的所述進(jìn)給氣體混合物。
它還有一個(gè)控制裝置用以將一部分冷卻流體引到所述預(yù)熱器周?chē)?,從而調(diào)節(jié)在所述預(yù)熱裝置中傳送到進(jìn)給氣體混合物的熱量。
所述系統(tǒng)適宜在低于大氣壓的壓力下工作,且包括下列各組成部分;(a)處理用的鼓風(fēng)機(jī),用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分;(b)分離裝置,用以將較易吸附的組分與伴隨生成的暖排水分離開(kāi)來(lái);和(c)預(yù)熱裝置,用以將暖排水的廢熱傳給進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物;它還包括一個(gè)密閉建筑物,建筑物內(nèi)裝有整個(gè)吸附系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分,從而從系統(tǒng)的各組成部分收集熱量用來(lái)預(yù)熱進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物;所述系統(tǒng)適宜在低于大氣壓的脫附壓力下工作,且包括下列組成部分(a)處理用的鼓風(fēng)機(jī),用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分;(b)分離裝置,用以將較易吸附的組分與伴隨而生的暖排水分離開(kāi)來(lái),和(c)一個(gè)收集槽,安置在所述密閉建筑物中,所述收集槽適宜從暖排水回收廢熱,用回收的廢熱加熱進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物;它還包括安置在所述密閉建筑物入口處的進(jìn)給氣體混合物過(guò)濾器;它還包括放氣裝置,用以將進(jìn)給氣體混合物在進(jìn)給氣體壓縮機(jī)空載期間排放在密閉建筑物內(nèi);它還包括(a)熱交換裝置,安置在所述密閉建筑物內(nèi),便于廢熱從暖排水中回收廢熱到密閉建筑物內(nèi);和(6)管道裝置,用以將暖排水輸送到所述熱交換裝置。
本發(fā)明利用了PSA或VPSA系統(tǒng)自身產(chǎn)生的低級(jí)廢熱來(lái)提高系統(tǒng)的效能。在要求將空氣或其它氣體進(jìn)行分離過(guò)程中原本要浪費(fèi)掉的這種熱量,在這里卻能用來(lái)提高系統(tǒng)能量的利用率,提高整個(gè)系統(tǒng)的效能。
下面參看附圖以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。附圖中
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖,其中從產(chǎn)品壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)回收的廢熱用來(lái)預(yù)熱通過(guò)PSA或VPSA系統(tǒng)進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給空氣。
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖,其中利用真空排放分離的排水中的廢熱來(lái)預(yù)熱通到PSA或VPSA系統(tǒng)進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給空氣。
圖3是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖,其中用一個(gè)保溫的密閉建筑物從PSA或VPSA系統(tǒng)的各部分或一部分回收廢熱,用這些廢熱來(lái)預(yù)熱通到PSA或VPSA系統(tǒng)進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給空氣。
本發(fā)明的目的是通過(guò)回收和利用PSA或VPSA空氣中或其它氣體分離處理過(guò)程中原本要浪費(fèi)掉的廢熱實(shí)現(xiàn)的。這種廢熱用來(lái)預(yù)熱通到將進(jìn)給氣體傳送到PSA或VPSA系統(tǒng)的吸附劑層的進(jìn)給空氣或通過(guò)其它進(jìn)給氣體鼓風(fēng)機(jī)的空氣或其它進(jìn)給氣體混合物。通過(guò)回收利用所述廢熱,提高空氣或其它氣體分離處理過(guò)程中能量的利用率。此外,提高通到進(jìn)給氣體鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給空氣或其它氣體的溫度可提高通到PSA/VPSA系統(tǒng)的壓縮進(jìn)給氣體的溫度使其高于進(jìn)給氣體在環(huán)境溫度條件下原本所能達(dá)到的溫度,從而可以達(dá)到吸附劑層所要求的溫度條件。因此,本發(fā)明的作法提供了在環(huán)境溫度低的條件下使吸附劑床層達(dá)到所要求的溫度的有利辦法。每當(dāng)進(jìn)給氣體壓縮到所要求的較高吸附壓力級(jí)的過(guò)程中所產(chǎn)生的壓縮熱不足以獲取PSA或VPSA系統(tǒng)最理想處理情況所要求的溫度條件時(shí),本發(fā)明就能以方便和有效的方式輕易達(dá)到所要求的溫度條件。
在本發(fā)明在附圖的圖1所示的實(shí)施例的實(shí)踐中,生成的氧氣在管路1中從PSA或VPSA系統(tǒng)通到產(chǎn)品氧氣壓縮機(jī)2中壓縮到所要求的產(chǎn)品等級(jí)。經(jīng)壓縮的氧氣通過(guò)管路3傳送到產(chǎn)品熱交換器4,產(chǎn)品氧氣從熱交換器4出來(lái),在管路5中回收,以便傳送到客戶(hù)的管路或所要求的管路。在所述熱交換器4中,產(chǎn)品氧氣與通過(guò)管路6的冷卻劑(以水為宜)進(jìn)行熱交換,自身被冷卻下來(lái),回收其壓縮熱。冷卻劑在所述熱交換器4中被加熱之后,從那里通過(guò)管路7通到進(jìn)給空氣熱交換器8,在熱交換器8中被冷卻下來(lái),通過(guò)管路9排出,以便再循環(huán)流回到產(chǎn)品熱交換器4中。作為另一種選擇方案,液流9在再循環(huán)使用之前也可以通到其它設(shè)備,例如其它熱交換器或冷卻塔等。管路10中的進(jìn)給空氣通入所述預(yù)熱交換器8中進(jìn)行預(yù)熱,然后通過(guò)管路11通入進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)12中壓縮到所要求的吸附處理水平,再通過(guò)管路13通入PSA或VPSA系統(tǒng)中用以分離空氣和回收產(chǎn)品氧氣。
在圖1的實(shí)施例中,可以采用一個(gè)旁通控制裝置以方便控制在預(yù)熱熱交換器8中回收的供加到PSA/VPSA系統(tǒng)的進(jìn)給空氣預(yù)熱用的廢熱。例如,可以用裝有控制閥15的旁通管路14轉(zhuǎn)移一部分已加熱的冷卻劑,使其通過(guò)管路7通入所述預(yù)熱熱交換器8中。在較暖和的環(huán)境條件下,可能需要減少對(duì)管路10中進(jìn)給空氣的預(yù)熱量。這樣,接下去在進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)12的壓縮過(guò)程中,進(jìn)給空氣就可以在所要求的溫度下通過(guò)管路13,從而在下游的PSA或VPSA系統(tǒng)中達(dá)到所要求的溫度條件。下面的作法也屬于本發(fā)明的范圍,即在無(wú)需通過(guò)廢熱的回收和利用來(lái)預(yù)熱進(jìn)給空氣、光靠進(jìn)給空氣的壓縮熱就足以在PSA或VPSA空氣分離處理過(guò)程中達(dá)到所要求的溫度條件的暖和環(huán)境溫度條件下,將管路3中的全部或一部分已壓縮的氧氣產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品熱交換器4周?chē)?br>
在圖1所舉實(shí)施例的實(shí)際應(yīng)用中,本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員都知道,可以利用從任何產(chǎn)品后冷卻器、中間冷卻器或其它在產(chǎn)品壓縮機(jī)、產(chǎn)品升壓壓縮機(jī)或脫附真空鼓風(fēng)機(jī)油冷卻裝置上的熱交換器出來(lái)的冷卻劑,借助于熱交換器,例如上述預(yù)熱熱交換器8來(lái)加熱進(jìn)入進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)12之前的進(jìn)給空氣(或其它進(jìn)給氣體)。
這樣,進(jìn)給空氣在通入所述進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)12之前通過(guò)熱交換使進(jìn)給空氣與暖水或其它經(jīng)加熱的冷卻劑之間形成最大溫差,從而使冷卻劑和進(jìn)給空氣或其它進(jìn)給氣體之間達(dá)到最高的傳熱效率。雖然可能會(huì)有與經(jīng)壓縮的進(jìn)給空氣的熱交換令人滿(mǎn)意的特殊情況,但在該情況下所能加的熱量可能會(huì)比本發(fā)明用廢熱加熱進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)入口的作法有所減少。
綜上所述,顯然一開(kāi)始就應(yīng)該決定應(yīng)用本發(fā)明。為此,首先要確定達(dá)到所要求的層溫時(shí)所需要的進(jìn)給溫度。舉例說(shuō),若VPSA系統(tǒng)的平均進(jìn)給壓力為5psig(磅/平方英寸表壓)(即0.35千克/厘米),則原料空氣壓縮到所要求的壓力級(jí)時(shí)壓縮熱產(chǎn)生的溫升約為50°F(27.78℃)。該溫升值和本發(fā)明的本實(shí)例一樣,可從鼓風(fēng)機(jī)制造廠(chǎng)家獲取,或者按進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的效率假設(shè),從而不難計(jì)算出傳遞到進(jìn)給空氣的能量。知道了該溫升值后就可以確定加入系統(tǒng)中使進(jìn)入PSA/VPSA系統(tǒng)中吸附劑層的進(jìn)給空氣溫度合乎要求的入口空氣溫度。舉例說(shuō),若用來(lái)進(jìn)行某已知的空氣分離所要求的最佳進(jìn)料溫度為100°F(37.78℃),則在低于50°F(10℃)的環(huán)境溫度下工作的任何進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)/PSA或VPSA系統(tǒng)需要加熱,使處理溫度達(dá)到所要求的理想情況。通過(guò)計(jì)算進(jìn)給空氣的質(zhì)量流過(guò)速率,不難確定達(dá)到所要求的吸附溫度所需要另外增加的熱量值。通過(guò)有效利用原本要浪費(fèi)掉的廢熱,如圖1中所示的實(shí)施例那樣,本發(fā)明的作法可以用來(lái)使空氣或其它氣體分離PSA/VPSA處理過(guò)程中能量的利用率及過(guò)程的效能達(dá)到最理想的情況,從而在實(shí)際商業(yè)氣體分離處理過(guò)程中提高了得采用PSA技術(shù)在整個(gè)技術(shù)/經(jīng)濟(jì)方面的可行性。
在本發(fā)明附圖2所舉的實(shí)施例中,采用了真空增壓器排放分離器排水處的暖水作為廢熱回收源來(lái)預(yù)熱壓縮到所要求的吸附壓力級(jí)之前的進(jìn)給空氣或其它進(jìn)給氣體。這種水,包括真空增壓器密封水和從空氣或氣體分離處理中的被脫附組分分離出來(lái)的水,可以收集在單獨(dú)的排水收集槽中。
在圖2的實(shí)施例中,較容易脫附的組分在從吸附劑中脫附出來(lái)后連同來(lái)自管路22的所述真空增壓器密封水一起,通過(guò)管路21通入真空增壓器23中。增壓器23排出物在較低的脫附壓下力通入管路24,通到傳統(tǒng)的排放分離器25中,進(jìn)給氣體混合物較易脫附的組分從分離器25通過(guò)管路27通入排水收集槽28中。本發(fā)明為了回收熱量,這種暖和的排水用管路29上的污水泵30泵送入管路29中傳送到預(yù)熱熱交換器31中。在所述預(yù)熱熱交換器31中放熱時(shí)被冷卻下來(lái)的排水,通過(guò)管路32排出。進(jìn)給空氣或其它有待PSA處理加以分離的進(jìn)給氣體通過(guò)管路33通入所述預(yù)熱熱交換器31中,在交換器31預(yù)熱后通過(guò)管路3 4通入進(jìn)氣鼓風(fēng)機(jī)35壓縮,然后通過(guò)管路36在所要求的較高的吸附壓力下通入PSA/VPSA系統(tǒng)。暖和的排水的熱函原本是作為PSA處理操作的低級(jí)廢熱浪費(fèi)掉的。但在本發(fā)明的作法中,有利和有效地利用了這種廢熱,使得在只利用進(jìn)給氣體的壓縮熱不可能達(dá)到所要求的溫度級(jí)時(shí)可以達(dá)到所希望達(dá)到的PSA溫度條件。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的,還可以用種種方法從輻射熱源收集有用的熱量。處理設(shè)備,象處理用的鼓風(fēng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、產(chǎn)品壓縮部件、閉環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)備、工藝管道、設(shè)備入口和排放輔助設(shè)施和/或任何其它工藝設(shè)備都是可回收廢熱的對(duì)流和輻射源。如附圖的圖3中所示,可以用密閉的建筑物來(lái)容納PSA/VPSA系統(tǒng)的各組成部分或整個(gè)系統(tǒng),從而收集輻射出來(lái)的廢熱,利用這些廢熱來(lái)預(yù)熱系統(tǒng)入口處的進(jìn)給空氣或其它進(jìn)給氣體。密閉建筑物(這可以是保溫的密閉空間)內(nèi)經(jīng)收集的熱量輕易地加熱輸進(jìn)來(lái)的進(jìn)給空氣或氣體。將入口的過(guò)濾器安置在密閉建筑物內(nèi)可以將從整個(gè)系統(tǒng)的密閉部分輻射時(shí)收集到的熱量直接傳給通入進(jìn)給氣體(空氣)鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給氣體(空氣)。因此,在圖3中,進(jìn)給空氣通入入口管路41中,通到安置于在本實(shí)施例中用以容納VPSA空氣分離系統(tǒng)的所有各組成部分的封閉建筑物43內(nèi)的入口過(guò)濾器42中。從入口過(guò)濾器42,進(jìn)給空氣通過(guò)管路44通入進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)45中。壓縮到所要求的吸附壓力的空氣從鼓風(fēng)機(jī)45中出來(lái),通過(guò)裝有閥門(mén)裝置47的管路46通入第一吸附劑床48,或通過(guò)裝有閥門(mén)裝置47a的管路46a通入圖中所示的雙層VPSA系統(tǒng)的第二吸附劑層48a中。裝有閥門(mén)50的卸料管路49從管路46延伸開(kāi),必要時(shí)可用來(lái)轉(zhuǎn)移進(jìn)給空氣流,將其放氣。進(jìn)給空氣中不太容易吸附的組分,即在用沸石分子篩從進(jìn)給空氣中有選擇地吸附氮時(shí)為氧,在VPSA處理程序的吸附產(chǎn)品回收部分的過(guò)程中從層48通入裝有閥門(mén)51的管路67中,并從床層48a通入裝有閥門(mén)51a的管路68中。在所舉的實(shí)施例中,氧氣從這個(gè)或那個(gè)管路通入裝有閥門(mén)53的管路52中,以便傳送到產(chǎn)品氧儲(chǔ)缸54中。產(chǎn)品氧從所述儲(chǔ)缸中經(jīng)裝有產(chǎn)品氧鼓風(fēng)裝置56的管路55抽出,從密閉建筑物43中排出,輸送到氧產(chǎn)品的客戶(hù)那里,或輸送到要求使用VPSA系統(tǒng)的這類(lèi)氧氣產(chǎn)品的地方。不言而喻,根據(jù)所示VPSA系統(tǒng)中進(jìn)行的任何給定VPSA空氣分離處理過(guò)程中使用的特定處理程序,氧氣可以從一個(gè)吸附劑層的頂部或產(chǎn)品輸出端通過(guò)管路67和68傳送到另一端,或者來(lái)自產(chǎn)品氧儲(chǔ)缸54的一部分產(chǎn)品氧可以通過(guò)管路52送回這臺(tái)或那臺(tái)吸附劑層。
從圖中可以看出,氣體,例如進(jìn)給空氣中較容易吸附的氮組分,在從吸附料中脫附時(shí),可以經(jīng)裝有閥門(mén)58的管路57從層48中抽出,傳送到真空增壓器59中。較容易吸附的氮同樣可經(jīng)裝有閥門(mén)58a的管線(xiàn)57a從層48a抽出,傳送到管路57和真空增壓機(jī)59。從所述真空增壓器59的排出物通過(guò)管路60通入排放分離器61,從分離器61出來(lái)的氮?dú)鈩t通過(guò)管路62作為廢氣排出,或供應(yīng)要求使用氮?dú)獾牡胤?。排出的水?dú)立地從排放分離器61經(jīng)管路63收集在排水收集槽64中。
由于采用密閉建筑物43,因而可以采用其它回收熱量的方法,例如,在所述收集槽64中裝上一個(gè)熱交換裝置65。舉例說(shuō),如圖中所示,所述熱交換裝置65可以是葉片式熱交換器,這樣熱量可以從該熱交換器輻射出來(lái)遍布密閉建筑物43內(nèi)部,從而可以通過(guò)進(jìn)給空氣鼓風(fēng)機(jī)入口的過(guò)濾器42抽入。排出的水,在通入所述熱交換器65中往所述密閉建筑物43內(nèi)部放熱之后,可輕易于通過(guò)管路66抽出,傳送到排水管路或要求使用水的地方。本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員不難理解,若達(dá)到PSA/VPSA吸附劑層中所要求的最佳溫度只需要較小程度的熱量回收,則下面的作法也屬于本發(fā)明的范圍,即通過(guò)只將系統(tǒng)的一部分,而不是全部,封閉在所述密閉建筑物43中來(lái)利用從整個(gè)PSA/VPSA系統(tǒng)的只有一部分輻射出來(lái)的熱量。從排放分離62排除的暖排水回收熱量是廢熱回收方便而求之不得的回收源。在密閉建筑物(最好是絕熱的封閉建筑物)中裝設(shè)所述排水收集槽64,無(wú)論用或不用所述葉片式熱交換器65或其它這類(lèi)熱交換器,以便于從暖排水中回收廢熱并提高這種回收的效率,都是回收廢熱、預(yù)熱傳送到進(jìn)給空氣(氣體)鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給空氣(氣體)較理想的方法。
本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員不難理解,在不脫離本發(fā)明在本說(shuō)明書(shū)所附權(quán)利要求書(shū)中所述的范圍的前提下是可以就本發(fā)明的細(xì)節(jié)作種種更改和修改的。不言而喻,本發(fā)明是不取決于所采用的具體PSA或VPSA的處理程序,或所要進(jìn)行的是空氣分離抑或其它一些氣體分離處理,或所采用的具體處理?xiàng)l件,例如所采用的高壓力級(jí)或低壓力級(jí)。此外,應(yīng)用本發(fā)明時(shí)所收集和利用的廢熱可以包括上述任何一種低級(jí)廢熱源或其組合或整個(gè)吸附系統(tǒng)任何部分中產(chǎn)生的任何其它低級(jí)廢熱。這里所使用的低級(jí)廢熱是PSA/VPSA系統(tǒng)中產(chǎn)生的、通常原本要浪費(fèi)掉、可以有效收集和利用來(lái)預(yù)熱傳送到進(jìn)給氣體壓縮機(jī)之前的進(jìn)給氣體混合體的任何熱源。此外不言而喻,應(yīng)用本發(fā)明時(shí)還可以采用其它各種廢熱源。舉例說(shuō),當(dāng)氧氣PSA/VPSA系統(tǒng)中的廢氣流為不能在密閉建筑物中安全放氣的富氮?dú)饬鲿r(shí),通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峤粨Q可以利用富氮廢氣流中的廢熱來(lái)加熱某種液體,然后再用這種液體給待分離的進(jìn)給空氣提供熱源。同樣,可從初次起動(dòng)過(guò)程中或產(chǎn)品質(zhì)量出問(wèn)題期間排除的氧氣管道外的排氣流中回收廢熱。然而,鑒于進(jìn)給空氣是無(wú)害的而且還因壓縮機(jī)在處理循環(huán)期間可能出現(xiàn)的空轉(zhuǎn)時(shí)間時(shí)受壓縮而提供一些熱量,因而送進(jìn)去的空氣流可以直接在密閉建筑物內(nèi)放氣。
應(yīng)用本發(fā)明時(shí),回收利用來(lái)預(yù)熱進(jìn)給氣體(空氣)混合體的廢熱一般應(yīng)能將進(jìn)給氣的溫度提高至少10°F(約5.6℃),且通常不超過(guò)80°F(約44.4℃),最一般的范圍是20-50°F左右(約11.1-27.8℃)。舉例說(shuō),在0°F(約-17.8℃)的環(huán)境條件下,最好用現(xiàn)有的廢熱將進(jìn)給氣(空氣)的溫度提高40-60°F(22.2-33.3℃)左右。在任何情況下,無(wú)需加外部熱量只利用PSA/VPSA系統(tǒng)本身產(chǎn)生的低級(jí)廢熱來(lái)提高入口氣體的溫度雖然要消耗更多的功來(lái)壓縮進(jìn)給氣體等,但卻意外地提高了整個(gè)PSA/VPSA的效能。
因此,從PSA/VPSA系統(tǒng)內(nèi)的各種熱源回收廢熱,并利用這種廢熱預(yù)熱送往進(jìn)給氣體(空氣)鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)給氣體(空氣),比起將外部能量加到系統(tǒng)的作法,在處理效能方面是提高了。應(yīng)用本發(fā)明還有這樣的好處為提高吸附劑的傳熱能力,無(wú)需把吸附劑層設(shè)計(jì)得很復(fù)雜,也無(wú)需改變處理操作和減小系統(tǒng)中的質(zhì)量流量。
比較一下給系統(tǒng)加上外部熱量的方法就能說(shuō)明本發(fā)明廢熱回收的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)該指出的是,VPSA進(jìn)料鼓風(fēng)機(jī)在環(huán)境空氣為10°F(-12.22℃)時(shí)的出料溫度因壓縮熱而在60°F(15.56℃)左右,即比環(huán)境溫度高50°F(27.78℃)。為使進(jìn)給空氣達(dá)到所要求的100°F(37.78℃)的溫度,若將上述熱量加到已壓縮的進(jìn)給空氣而不加到入口進(jìn)給空氣,則與此有關(guān)的處理費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用的增幅就要加倍。
現(xiàn)有提高PSA系統(tǒng)效能的方法通常都不考慮廢熱回收,這是因?yàn)檫@種系統(tǒng)所需的投資額高,因而減少基本投資的目的是力圖降低系統(tǒng)的總成本。然而,為回收廢熱,不可避免地必然要花費(fèi)更多的資金。因此,這種設(shè)計(jì)上的改進(jìn)通常都被忽視,這種收集和利用低級(jí)廢熱來(lái)預(yù)熱壓縮之前的進(jìn)給氣體混合體的動(dòng)機(jī)歷來(lái)得不到支持,。然而,我們發(fā)現(xiàn),上述避免PSA效能下降10%的好處大大補(bǔ)償了這種所需投資額的額外開(kāi)支。此外,本發(fā)明還可通過(guò)有效地收集和利用傳熱潛力比其它熱源低的低級(jí)廢熱而享有這種好處。
用這種原本要浪費(fèi)掉的廢熱預(yù)熱入口處的低溫進(jìn)給空氣從而最大限度地發(fā)揮熱交換的作用,以及用密閉建筑物作為可從其中抽取入口空氣的散熱器,這一切都體現(xiàn)了熱量利用中非??扇〉暮锰?,由此提高了能量的利用率,而且出乎意料地提高了PSA/VPSA的效能。
本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員不難理解,這里介紹的各種廢熱回收方法其任何要求的組合都可用來(lái)將進(jìn)給氣體(空氣)預(yù)熱到所要求的溫度,從而使吸附劑層取得PSA達(dá)到最佳效能的理想溫度條件。應(yīng)用本發(fā)明時(shí),若采用多個(gè)廢熱回收源,則可以控制它們使之接通或切斷由它們組成的所要求的任何組合,從而提供預(yù)熱進(jìn)給氣體所需要的熱量。雖然上面是特別就制氧的PSA空氣分離處理進(jìn)行說(shuō)明,但不言而喻,本發(fā)明也適用于各種其它的氣體分離處理,例如從氦或氫中分離出氮,其中氮為氣體混合物較易吸附的組分,或從空氣分離和回收氮產(chǎn)品,其中氮或氧都可以是進(jìn)給空氣中較易吸附的組分。
可以看出,本發(fā)明是收集和利用PSA系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的廢熱的特別有利的方法。無(wú)需從系統(tǒng)外加熱量就能很方便地回收廢熱,并將其有效加以利用,這不僅可以提高PSA法的能量利用率,而且還可以提高PSA系統(tǒng)的總效能。
權(quán)利要求
1.一種變壓吸附法,用以在一個(gè)吸附系統(tǒng)中分離出含較易吸附組分和較難吸附組分的進(jìn)給氣體中的較易吸附組分,所述吸附系統(tǒng)有至少一個(gè)裝有能選擇地吸附所述較易吸附組分的吸附劑層,所述變壓吸附法有一套在各吸附劑層循環(huán)進(jìn)行的處理程序,它包括(1)在較高的吸附壓力下將進(jìn)給氣體混合物通入吸附劑層的進(jìn)料端,從吸附劑層的別一端抽出較難吸附的組分;(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力,同時(shí)從吸附劑層的進(jìn)料端排出較易吸附的組分;(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力,同時(shí)將進(jìn)給氣體混合物在程序(1)中通入吸附劑層之前在進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中壓縮到所述較高的吸附壓力,而且被所產(chǎn)生的壓縮熱加熱,所述改進(jìn)措施包括下述兩個(gè)方面(a)收集吸附系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量或一部分熱量;(b)利用收集到的廢熱預(yù)熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物,這時(shí)以較高的吸附壓力通入吸附劑層的進(jìn)給氣體混合物則已由所述收集到的廢熱和所述壓縮熱預(yù)熱過(guò);這樣就提高了處理過(guò)程能量的利用率,而且這種廢熱回收能達(dá)到的溫度高于在較低環(huán)境溫度下只壓縮進(jìn)給氣體混合物時(shí)所能達(dá)到的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,將從吸附劑層的另一端抽出的較難吸附組分壓縮到更高的壓力級(jí),然后從吸附系統(tǒng)加以回收,且包括下列工序(a)將進(jìn)一步壓縮過(guò)的較難吸附組分氣體通到一個(gè)熱交換器中,以便將進(jìn)一步壓縮該組分氣體所產(chǎn)生的壓縮熱傳給冷卻液;(b)將如此加熱過(guò)的冷卻液通入一個(gè)預(yù)熱器中,以便將所述壓縮熱傳給進(jìn)給氣體混合物,然后將所述進(jìn)給氣體混合物通入所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,它還包括這樣的工序?qū)⒁徊糠秩绱思訜徇^(guò)的冷卻流體轉(zhuǎn)移到所述預(yù)熱器附近,以調(diào)節(jié)從如此加熱過(guò)的冷卻流體傳給所述進(jìn)給氣體混合物的熱量。
4.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述較低的脫附壓力低于大氣壓。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,它還包括下列工序通過(guò)一個(gè)處理用的鼓風(fēng)機(jī)抽取較易吸附的組分;從所述較難吸附的組分分離出暖排水,并將所述暖排水通入一個(gè)預(yù)熱器,以便將其中的廢熱傳給其中的進(jìn)給氣體混合物,然后將所述進(jìn)給氣體混合物通入所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)中。
6.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,它還包括下列工序?qū)⒄麄€(gè)吸附系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分安置在一個(gè)密閉建筑物中,以便從系統(tǒng)的各組成部分收集熱量用來(lái)預(yù)熱通入進(jìn)給氣體壓縮機(jī)之前的進(jìn)給氣體混合物。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,它還包括下列工序用生產(chǎn)過(guò)程用的鼓風(fēng)機(jī)抽取低于大氣壓的較易吸附組分;從所述較易吸附組分分離出暖排水,并將所述暖排水通入所述密閉建筑物中的一個(gè)收集槽,用所述暖排水輻射出的廢熱加熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的所述進(jìn)給氣體混合物。
8.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,它還包括下列工序用所述密閉建筑物入口處一個(gè)過(guò)濾器抽取進(jìn)給氣體混合物。
9.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述進(jìn)給氣體混合物由空氣組成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,它還包括,在所述密閉建筑物內(nèi)在處理循環(huán)中排放壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)期間放出的進(jìn)給空氣。
11.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,將所述暖排水通入安置在所述密閉建筑物內(nèi)的熱交換裝置,以便從所述暖排水回收廢熱將其排到密閉建筑物內(nèi)的大氣中。
12.一種變壓吸附系統(tǒng),用以從含有較易吸附組分和較難吸附組分的進(jìn)給氣體混合物中分離出所述較易吸附組分,所述吸附系統(tǒng)有至少一個(gè)裝有能選擇吸附所述較易吸附組分的吸附劑的吸附劑層,所述吸附系統(tǒng)適宜在各層中循環(huán)進(jìn)行處理程序,該程序包括(1)在較高的吸附壓力下將進(jìn)給氣體混合物通入吸附劑層的進(jìn)料端,并從吸附劑層的另一端抽出較難吸附的組分;(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力,同時(shí)從吸附劑層的進(jìn)料端放出較易吸附的組分;(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力,同時(shí)用構(gòu)成整個(gè)吸附系統(tǒng)的一部分的一個(gè)進(jìn)給氣體壓縮機(jī)將工序(1)過(guò)程中通入吸附劑床之前的所述進(jìn)給氣體混合物氣壓縮到所述較高的吸附壓力;改進(jìn)措施包括增設(shè)了下列裝置(a)機(jī)械裝置,用以收集吸附系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢熱;和(6)預(yù)熱裝置,用以利用所收集的廢熱預(yù)熱通到進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物;這樣,吸附系統(tǒng)有效利用了其中產(chǎn)生的廢熱來(lái)預(yù)熱通到所述進(jìn)給氣體壓縮機(jī)的進(jìn)給氣體混合物,從而提高了所述吸附系統(tǒng)的能量利用率和總效能。
13.如權(quán)利要求12所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它包括(a)壓縮裝置,用以提高所述較易吸附的組分在其從吸附系統(tǒng)回收之前的壓力級(jí);(b)熱交換器,用以將所述壓縮裝置產(chǎn)生的壓縮熱傳到冷卻流體中;和(c)預(yù)熱裝置,用以將所述壓縮熱從冷卻流體傳到通入進(jìn)給氣體壓縮機(jī)之前的所述進(jìn)給氣體混合物。
14.如權(quán)利要求13所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它還有一個(gè)控制裝置用以將一部分冷卻流體引到所述預(yù)熱器周?chē)?,從而調(diào)節(jié)在所述預(yù)熱裝置中傳送到進(jìn)給氣體混合物的熱量。
15.如權(quán)利要求12所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)適宜在低于大氣壓的壓力下工作,且包括下列各組成部分;(a)處理用的鼓風(fēng)機(jī),用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分;(b)分離裝置,用以將較易吸附的組分與伴隨生成的暖排水分離開(kāi)來(lái);和(c)預(yù)熱裝置,用以將暖排水的廢熱傳給進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物。
16.如權(quán)利要求12所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它還包括一個(gè)密閉建筑物,建筑物內(nèi)裝有整個(gè)吸附系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分,從而從系統(tǒng)的各組成部分收集熱量用來(lái)預(yù)熱進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物。
17.如權(quán)利要求16所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)適宜在低于大氣壓的脫附壓力下工作,且包括下列組成部分(a)處理用的鼓風(fēng)機(jī),用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分;(b)分離裝置,用以將較易吸附的組分與伴隨而生的暖排水分離開(kāi)來(lái);和(c)一個(gè)收集槽,安置在所述密閉建筑物中,所述收集槽適宜從暖排水回收廢熱,用回收的廢熱加熱進(jìn)給氣體壓縮機(jī)上游的進(jìn)給氣體混合物。
18.如權(quán)利要求17所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它還包括安置在所述密閉建筑物入口處的進(jìn)給氣體混合物過(guò)濾器。
19.如權(quán)利要求16所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它還包括放氣裝置,用以將進(jìn)給氣體混合物在進(jìn)給氣體壓縮機(jī)空載期間排放在密閉建筑物內(nèi)。
20.如權(quán)利要求17所述的吸附系統(tǒng),其特征在于,它還包括(a)熱交換裝置,安置在所述密閉建筑物內(nèi),便于廢熱從暖排水中回收到密閉建筑物內(nèi);和(b)管道裝置,用以將暖排水輸送到所述熱交換裝置。
全文摘要
變壓吸附系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢熱經(jīng)過(guò)有效地收集,用來(lái)預(yù)熱通到進(jìn)給氣體鼓風(fēng)機(jī)以便壓縮到所要求的吸附壓力級(jí)的進(jìn)給氣體,從而提高了系統(tǒng)的能量利用率和總效能。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1132656SQ9511485
公開(kāi)日1996年10月9日 申請(qǐng)日期1995年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月3日
發(fā)明者M·J·西尼克羅皮, T·M·阿龍, F·W·利維特, H·R·肖布, J·施莫拉列克 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司