專利名稱：氣體分離方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用壓力回轉(zhuǎn)吸附法(PSA法)的改進(jìn)的氣體分離方法及其裝置，該方法從混合氣體中分離出難吸附氣體產(chǎn)品。更詳細(xì)地說，涉及以空氣為原料吸附除去氮?dú)?、二氧化碳、濕?水分)等，分離和純化氧氣的改進(jìn)PSA法及其裝置。得到的氧氣可利用在煉鋼、紙漿漂白、廢水處理、助燃?xì)獾确矫妗?br> 背景技術(shù)：
使用壓力回轉(zhuǎn)吸附法(PSA法)，從由易吸附氣體和難吸附氣體構(gòu)成的混合氣體中分離出難吸附氣體產(chǎn)品的氣體分離方法，很久以來就廣泛被人們所知，使用這種方法可以分離精制多種氣體。
可是，用PSA法分離含有水分的原料氣體時(shí)，水分容易吸附在吸附劑上并且難以解吸，所以吸附劑的有效吸附容量下降，如果在這種狀態(tài)下連續(xù)使用時(shí)，吸附劑會(huì)變壞，氣體分離能力下降。為此，將脫濕劑與吸附劑疊層進(jìn)行使用，在向吸附劑床供給原料氣之前，通過脫濕劑床除去水分。但是，最近成為問題的是在這種脫濕劑床和吸附劑床并用的PSA裝置中，由于吸附劑床上產(chǎn)生的溫度分配，使得氣體的分離能力下降。
以下，對于在填充了以氧化鋁為主成分的脫濕劑的脫顯床上部，疊層填充了沸石分子篩的吸附劑床吸附塔的PSA裝置中，導(dǎo)入原料氣體空氣，吸附除去氮?dú)?，得到產(chǎn)品氧氣的實(shí)施例為例進(jìn)行說明。
此時(shí)，在吸附工藝中，沸石分子篩的細(xì)孔內(nèi)優(yōu)先地吸附氮?dú)猓?升吸附氣體約產(chǎn)生0.2Kcal吸附熱，吸附劑床的溫度上升。產(chǎn)生的熱隨著氣流流動(dòng)到吸附劑床的出口側(cè)，其中一部分隨著產(chǎn)品氣體排出塔外。因此吸附劑床的各部分溫度不一樣，造成吸附劑床的下部溫度比上部溫度低。
接著，在吸附工藝中為了再生吸附劑，用比吸附時(shí)低的壓力減壓吸附塔來解吸氮?dú)猓藭r(shí)，由于吸熱現(xiàn)象，吸附劑床的各部分溫度都一樣地下降。吸附時(shí)的總發(fā)熱量和解吸時(shí)的總吸收量是相等的，但是由于吸附時(shí)發(fā)出熱量的一部分隨著產(chǎn)品氣體一部分排出塔外，所以作為吸附塔內(nèi)的熱平衡只是相應(yīng)部分吸熱量上升，塔的溫度慢慢下降?？墒橇硪环矫嬗捎趤碜运趥鳠嵋鸬臒崆秩胍约拔絼┐驳臏囟认陆?，解吸量也減少，使得吸附塔的溫度逐漸趨于恒定值。
這樣一來，在吸附劑床上形成了一個(gè)溫度梯度，即產(chǎn)生了熱區(qū)、冷區(qū)。例如原料空氣以35℃左右供給吸附塔時(shí)，當(dāng)平衡時(shí)，吸附床上部產(chǎn)生35℃的熱區(qū)，吸附床下部產(chǎn)生-10℃的冷區(qū)，吸附劑床下部的溫度低到如此低程度時(shí)，就會(huì)引起裝置的氣體分離能力下降。
特別是，沸石分子篩可以發(fā)揮優(yōu)良性能的溫度范圍取決于分子篩的類型，通常在10℃～60℃的范圍分離效率最高。因此，如上所述，在30℃的熱區(qū)時(shí)，氣體的分離效率提高，但是在-10℃以下的冷區(qū)時(shí)雖然氣體本身的吸收能力提高，但是解吸困難，所以易吸附性氣體氮?dú)夥e蓄在吸附劑細(xì)孔內(nèi)使有效的吸附容量下降，在其影響下裝置的氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x效率下降。
這種溫度梯度的大小受到被吸附的氮?dú)饬?、吸附塔尺寸的影響，例如使用吸附劑的吸附能越大、或者吸附塔越大，溫度梯度就越?qiáng)。因此，隨著近年來裝置的在大型化、吸附劑的高性能化，以往存在的上述問題更加趨于明顯化。
為了解決這些問題，曾經(jīng)提出了幾種使吸附劑床的原料氣體流入部產(chǎn)生的冷區(qū)溫度上升的方法，例如可以舉出以下的方法。
(1)在吸附塔內(nèi)上部疊層吸附劑、下部疊層脫濕劑，在吸附劑的上部熱區(qū)和下部的冷區(qū)上分別插入熱電偶，通過將它們串聯(lián)起來利用溫度差產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢，在脫濕劑床入口部設(shè)置的電熱加熱器加熱混合氣體的方法(特開平4-322714號公報(bào))。
(2)用金屬板在吸附塔軸方向?qū)⑽絼┐卜指糸_，通過熱傳導(dǎo)將吸附劑床出口部的熱轉(zhuǎn)移到下方(原料器入口側(cè))的方法。
(3)利用加熱泵在與吸附塔間進(jìn)行熱交換的方法。
可是，上述任何一種方法都不能得到充分的效果，達(dá)不到實(shí)用化階段。
所以，一般都是采用熱交換器和電熱加熱器等的熱源強(qiáng)制加熱導(dǎo)入脫濕劑床的混合氣體的方法?？墒沁@種方法，在吸附工序中被加熱了的混合氣體在進(jìn)行吸附劑床的低溫部之前，由于通過了冷的脫濕劑床而被冷卻，使得該低溫部不能充分升溫。進(jìn)而，由于是被加熱了的混合氣體使脫濕劑的溫度也同時(shí)上升，這樣就會(huì)影響原來的吸濕效果，極端的情況時(shí)，原料氣體中的濕氣在吸濕劑床中不能充分被吸附就進(jìn)入上部的吸附劑床，使得吸附劑的氣體分離能力下降。另外，在解吸工序中，加熱下進(jìn)行再生的脫濕劑床上由于解吸時(shí)的吸熱，導(dǎo)入溫度下降的氣體而被冷卻，所以再生效率也不好。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于使吸附劑床下部形成的冷區(qū)的溫度升高的同時(shí)，高度保持解吸時(shí)的脫濕劑床的溫度、提供可以提高氣體的分離效率和脫濕劑的再生效率的氣體分離方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供適用于上述氣體分離方法的氣體分離裝置。
即，本發(fā)明主要涉及(1)通過PSA方法的氣體分離方法，該方法是在吸附劑床上從易吸附性氣體難以吸附性氣體組成的原料氣中，吸附除去易吸附性氣體，分離出難以吸附性氣體作為產(chǎn)品，其特征是使用在吸附床的原料氣體供給一側(cè)裝有脫濕劑床，并且在吸附劑床和脫濕劑床之間設(shè)有加熱器的氣體分離裝置，吸附時(shí)，通過加熱經(jīng)過脫濕劑床而流入吸附劑床的原料氣體，使得吸附劑床的原料氣體流入部產(chǎn)生的低溫區(qū)升溫，而當(dāng)解吸時(shí)，則加熱經(jīng)過吸附劑床而流入脫濕劑床的解吸氣體。
(2)通過PSA方法的氣體分離方法，該方法是在吸附劑床上從易吸附性氣體和難吸附性氣體組成的原料氣中，吸附除去易吸附性氣體，分離出難以吸附性氣體作為產(chǎn)品，其特征是使用在吸收床的原料氣體供給一側(cè)裝有脫濕劑床，且在該脫濕劑床的內(nèi)部設(shè)有加熱器的氣體分離裝置，吸附時(shí)，通過加熱經(jīng)過脫濕劑床而流入吸附劑床的原料氣體，使得吸附劑床的原料氣體流入部產(chǎn)生的低溫區(qū)升溫，而當(dāng)解吸時(shí)，加熱經(jīng)過吸附劑床而流入脫濕劑床的解吸氣體。
(3)上述(1)或(2)所述的方法，其中吸附劑是分子篩，混合氣體是空氣。
(4)上述(1)或(2)所述的方法，其中吸附步驟中，吸附劑床的原料氣體流入部的氣體溫度為10℃～60℃。
(5)上述(1)或(2)所述的方法，其中解吸步驟中，脫濕劑床的解吸氣體流入部的氣體溫度為10℃～60℃。
(6)上述(1)或(2)所述的方法，其中吸附步驟在大氣壓至4kg/cm2G壓力下進(jìn)行，解吸步驟在大氣壓至150torr壓力下進(jìn)行。
(7)上述(2)所述的方法，其特征是在所述脫濕劑床上疊層所述吸附劑床，且所述的加熱器設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)靠近吸附劑床側(cè)。
(8)上述(7)所述的方法，其特征是所述加熱器設(shè)置在離吸附床側(cè)端脫濕劑床的1/2高度范圍內(nèi)。
(9)通過PSA方法的氣體分離裝置，該裝置在吸附劑床的原料氣供給一側(cè)具有脫濕劑床，其特征是在吸附劑床和脫濕劑床之間設(shè)置加熱器。
(10)通過PSA方法的氣體分離裝置，該裝置在吸附劑床的原料氣供給一側(cè)具有脫濕劑床，其特征是在脫濕劑床上疊層吸附劑床，且加熱器設(shè)置在脫濕劑床離吸附劑床側(cè)端1/2高度范圍內(nèi)。
(11)上述(9)所述的裝置，其中吸附劑床作成吸附塔，而脫濕劑床作成脫濕塔。
(12)上述(9)或(10)所述的裝置，其中加壓原料氣體產(chǎn)生的熱用作加熱器的熱源。
(13)上述(9)或(10)所述的裝置，其中吸附劑床的上部熱區(qū)產(chǎn)生的熱用作加熱器的熱源。
(14)上述(10)所述的裝置，其特征是所述加熱器設(shè)置在離吸附劑床側(cè)端脫濕劑床的1/2高度范圍內(nèi)。
圖的簡單說明

圖1是表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案之一的示意圖。
圖2是表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案之一的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案之一的示意圖。
圖4是表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案之一的示意圖。
圖5是表示常規(guī)裝置之一的示意圖。
圖6是表示使用常規(guī)裝置時(shí)，吸附塔各部的溫度分布圖。
圖7是表示使用本發(fā)明裝置(第1種方案)時(shí)，吸附塔各部的溫度分布圖。
圖8是表示本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施方案之一的示意圖。
圖9是表示使用本發(fā)明裝置(第2種方案)時(shí)，吸附塔各部的溫度分布圖。
在上述各圖中，1代表吸附劑床；2代表脫濕劑床；3代表加熱器；4代表壓縮機(jī)5代表真空泵；和6代表開關(guān)閥。
實(shí)施發(fā)明的最佳方案本發(fā)明的氣體分離方法有2種方案，一種方案是在吸附劑床和脫濕劑床之間設(shè)置加熱經(jīng)過所述床的氣體的加熱器，吸附時(shí)，通過加熱流過脫濕劑床進(jìn)入吸附劑床的原料氣體，使得在吸附劑床的原料氣體流入部位產(chǎn)生的冷區(qū)被加熱升溫；脫吸附時(shí)，通過加熱來自吸附劑床解吸下來的解吸氣體，來提高脫濕劑再生效果。另一種方案是在脫濕劑床上面疊層一個(gè)吸附劑床，加熱器設(shè)置在脫濕劑床的內(nèi)部，可以得到的與上述相同的效果。以下，詳細(xì)地說明這些方法。
用于本發(fā)明的PSA裝置并無特別限制，只要在原料氣體的入口側(cè)具有脫濕劑床，并在其上面有吸附劑床就可以。脫濕劑床可以內(nèi)裝在吸附塔內(nèi)，也可以與吸附劑塔分開與作成分開的脫濕塔。作為吸附塔的個(gè)數(shù)，通常使用2～3個(gè)塔。本發(fā)明中所使用的PSA裝置的操作條件也沒有特殊的限制，通常是在吸附壓力為大氣壓～4kg/cm2G，解吸壓力為大氣壓～150torr(乇)的條件下操作。
用于本發(fā)明的吸附劑沒有特殊的限制，優(yōu)選的是使用沸石分子篩。作為沸石分子篩可以使用Na A-型、Na X-型、Ca A-型、Ca X-型等，其中更優(yōu)選的是使用Ca A-型或者Ca X-型的沸石分子篩。
用于本發(fā)明的脫濕劑，只要能夠除去原料氣體中的濕氣即可，對此也沒有特殊的限制，作為脫濕劑可以使用活性氧化鋁、硅膠、分子篩等，其中最好使用以氧化鋁為主要成份的脫濕劑。
本發(fā)明用于加熱氣體的加熱器沒有特殊的限制，可以使用電加熱器、列管式熱交換器、蛇管式熱交換器、夾套式熱交換器等，只要能夠加溫流過的氣體；任何型式的加熱器都可以。對加熱的熱源也無特殊的限制，可以使用電、蒸汽、熱水、吸附劑床上部的高溫部(熱區(qū))的熱、或者加壓原料氣體時(shí)產(chǎn)生的壓縮熱等，只要能加溫流過的氣體任何的熱源都可以。
吸附時(shí)的原料氣體的溫度，根據(jù)使用的吸附劑種類，其最佳范圍是不同的，通常在吸附劑床的原料氣體流入部要加溫到10℃～60℃范圍。解吸時(shí)，解吸氣體的溫度也是根據(jù)吸附劑的種類，其最佳范圍不同，通常，解吸氣體進(jìn)入脫濕劑床流入部的氣體要求加溫到10℃～60℃的范圍。
為了使原料氣體充分地升溫，最好把加熱器設(shè)置在沿氣體流動(dòng)方向并能確保10cm以上長度的傳熱帶的地方。因此，可以在連結(jié)吸附劑床和脫濕劑床的空間部位設(shè)置加熱器(第1種方案)，或者由于裝置的設(shè)計(jì)上理由等而不能確保該空間時(shí)，也可以設(shè)置在脫濕劑床的內(nèi)部，優(yōu)選地是設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)的靠近吸附劑床側(cè)(第2種方案)。本發(fā)明中可以使用任何一種方案，但第2種方案與第1種方案比較，對于脫濕劑的吸濕能力多少有些影響，再生效果多少有一些下降，但由于可省去吸附劑床的支持部分等，所以可使得裝置簡單、小型化。
此外，在第1種方案中.吸附劑床和脫濕劑床可以獨(dú)立地分成二個(gè)塔(吸附塔、脫濕塔)。此時(shí)，加熱器最好設(shè)置在具有吸附劑床的塔和具有脫濕劑床的塔相連結(jié)的部位上。
在第2種方案中，對于設(shè)置加熱器的地點(diǎn)沒有特殊的限制，通常是離吸附劑床側(cè)端在脫濕劑床的1/2高度范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在離吸附劑床側(cè)端在脫濕劑床的1/3高度的范圍內(nèi)。
這樣一來，本發(fā)明的氣體分離裝置，是在吸附劑床的原料氣體供給側(cè)設(shè)置脫濕劑床，用PSA法分離氣體的裝置，其特征是在該吸附劑床和該脫濕劑床之間設(shè)置加熱器，或者在該脫濕劑床上疊層所述的吸附劑床，加熱器設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)的靠近吸附劑床側(cè)。
以下，對于從空氣中分離出氧氣作為產(chǎn)品的本發(fā)明的實(shí)施方案(第1種方案)例舉在圖1～圖4中。
圖1是將吸附劑床1和脫濕劑床2分別作成獨(dú)立的2個(gè)塔，加熱器設(shè)置在它們的連結(jié)部位上。一套使用3組，將用壓縮機(jī)加壓到數(shù)百毫米水柱的空氣加入到這些塔中進(jìn)行吸附，用真空泵減壓至200torr進(jìn)行解吸。
圖2～圖4表示了吸附塔中具有脫濕劑床的例子。圖2及圖3是在吸附劑床1和脫濕劑床2之間留出空間部分，在其空間部分設(shè)置加熱器3的例子。圖2是將電、蒸汽、熱水等外部來的熱源導(dǎo)入加熱器3的例子，圖3是將吸附劑床1出口側(cè)的熱區(qū)的熱作為加熱源，以水、熱介質(zhì)油等作為傳熱介質(zhì)的例子。
圖4是在吸附劑床1和脫濕劑床之間留出空間部分，在其空間部分設(shè)置加熱器3的例子，用壓縮機(jī)4將加壓的約0.5kg/cm2G的空氣供給塔中進(jìn)行吸附、用真空泵5減壓到200torr層進(jìn)行解吸，與圖1～圖3不同的是作為熱源是使用被壓縮機(jī)加壓且溫度上升到約40～90℃的原料空氣本身。此外，使用的空氣溫度是隨加壓的程度而變化。這種情況是不需要電、蒸汽、熱水等外部熱源，可以大副度地削減加熱能源。圖1～圖4都表示了使用三個(gè)吸收塔的例子，但本發(fā)明不限于三塔式，當(dāng)然二塔以上的復(fù)數(shù)塔也都可以。
按照上述構(gòu)成通過將流過脫濕劑床并流入吸附劑床的原料氣體加熱，可以有效地加熱升溫在吸附劑床的原料氣體流入部產(chǎn)生的冷區(qū)。解吸時(shí)，通過加熱來自吸附劑床的解吸下來的解吸氣體使其升溫。比起以往方法，可以將溫度高的解吸氣體導(dǎo)入到脫濕劑床中，所以提高了脫濕劑的再生效果。圖6和圖7分別進(jìn)一步說明；以往裝置及本發(fā)明裝置中吸附、解吸時(shí)，吸附塔內(nèi)各部的溫度分布。
即，圖6表示將原料氣體在脫溫劑床之前加熱的以往方法(圖5)中吸附塔內(nèi)部的溫度分布。圖中，T1T2T3T4的連線表示吸附步驟中該吸附塔內(nèi)各部的最終的溫度分布，T2′T3′T4′的連線分別表示對應(yīng)部分解吸步驟的最終溫度分布。吸附步驟中，原料氣體以溫度T1導(dǎo)入加熱器，在此處升溫到T2后進(jìn)入脫濕劑床。在脫濕劑床中，由于在此之前解吸步驟時(shí)溫度下降，所以在出口原料氣體溫度下降到T3，進(jìn)入吸附劑床。在吸附劑床中的冷區(qū)氣體溫度進(jìn)一步下降后，由于吸附熱，氣體的出口溫度上升到T4。在解吸步驟中，由于伴隨著解吸的吸熱原因，各部分的溫度都約下降相同的程度，解吸終了時(shí)，穩(wěn)定在沿T4′T3′T2′線的溫度分布線上。此外，如圖5所示，解吸時(shí)由于解吸氣體不通過加熱器，所以不存在對應(yīng)于T1的T1′。
圖7是表示本發(fā)明方法(第1種方案)中將加熱器設(shè)置在脫濕劑床和吸附劑床之間時(shí)吸附塔內(nèi)部的溫度分布。圖中T5T6T7T8的連線表示該吸附塔內(nèi)各部的最終溫度分布，T5′T6′T7′T8′連線表示解吸步驟的最終溫度分布。在吸附步驟中，原料氣體的溫度T3進(jìn)入脫濕劑床。在此之前脫濕劑床由于已進(jìn)行了加熱再生，溫度上升，所以氣體吸收這部分熱后，在脫濕劑床出口上升到T6，進(jìn)入加熱器。用加熱器加熱到T7溫度的原料氣進(jìn)入吸附劑床，在冷區(qū)中氣體溫度下降后，由于吸附而產(chǎn)生的熱使得出口的氣體溫度上升到T8。在解收步驟中，伴隨著解吸的吸熱，使得吸附劑床各部的溫度大約都下降相同的程度，而后由于加熱器的加溫，在解吸終了時(shí)，穩(wěn)定在沿T8′T7′T6′T5′線的溫度分布上。
以下，對于從空氣分離出氧氣作為產(chǎn)品時(shí)的本發(fā)明實(shí)施方案(第2種方案)，例舉在圖8中。
圖8表示了在吸附塔內(nèi)疊層吸附劑床1和脫濕劑床2，在脫濕劑床2的內(nèi)部的靠近吸附劑床側(cè)設(shè)置加熱器3。使用三組一套，用壓縮機(jī)將加壓到數(shù)百毫米水柱的空氣供給到塔中進(jìn)行吸附、用真空泵減壓到200torr后進(jìn)行解吸。
圖9表示這種方案下的吸附塔內(nèi)部的溫度分布。圖中T9T10T11T12連線表示在吸附步驟中該吸附塔內(nèi)各部的最終溫度分布，T9′T10′T11′T12′連線表示解吸步驟的最終溫度分布。在吸附步驟中，原料氣體以T9溫度進(jìn)入脫濕劑床。在此之前由于脫濕劑床已進(jìn)行了加熱再生而溫度升高，所以氣體吸收這部分熱后，在脫濕劑床出口上升到T10，通過設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)部的加熱器進(jìn)一步升溫，使得脫濕劑床出口溫度達(dá)到T11。接著進(jìn)入吸附劑床，在冷區(qū)，氣體溫度下降后，由于吸附而產(chǎn)生的熱使得出口的氣體溫度上升到T12。在解吸工序中，伴隨著解吸的吸熱，使得吸附劑床各部的溫度大約都下降相同的程度，而后由于加熱器的加溫，在解吸終了時(shí)，穩(wěn)定在沿T12′T13′T14′T15′線的分布線上。
以下通過實(shí)施例及比較例更具體地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不受這些限制。
實(shí)施例1圖2是用于本實(shí)施例所用裝置的示意流程圖。
在直徑0.8m、高度3.1m的吸附塔的下部，高度為20cm處填充以氧化鋁為主成分脫濕劑70kg，形成脫濕劑床2，其上部留出高度為20cm的空間，設(shè)置0.5KW的電加熱器3，其空間的上部2.0m高度處填充Ca A-型沸石600kg，形成的吸附劑床1。此處的電加熱器容量是可以使空氣溫度升高5℃的容量，使用具有3個(gè)這種吸附塔的PSA裝置，用機(jī)4將10℃的空氣升壓到500mmH2O的壓力后導(dǎo)入吸附塔，進(jìn)行吸附，解吸是通過真空泵5將吸附塔減壓至230torr后，通過切換閥的切換操作，進(jìn)行PSA操作分離氧氣。PSA操作中的吸附、解吸、儲壓三個(gè)步驟的切換周期是180秒/1個(gè)循環(huán)。
結(jié)果，以29.0N·m3/h的速率得到濃度為93Vol％的氧氣，氧氣的收率是49％。另外，在脫濕劑床2的原料氣體出口處取樣分析結(jié)果，露點(diǎn)是-60℃，測定操作中吸附塔內(nèi)的溫度分布，得到圖7的結(jié)果。如圖7所示T3是10℃、T6是15℃、T7是20℃、T8是40℃、T5′是15℃、T6′是20℃、T7′是15℃、T8′是35℃。
如圖7所示，盡管加熱器的電容量相當(dāng)于比較例的1/2，但是在吸附時(shí)，可將以往比較例中-20℃的吸附劑床下部的冷區(qū)溫度提高35℃，即達(dá)到15℃。此外，與比較例相比可以減少30kg脫濕劑量，提高了除去濕氣效果。
實(shí)施例2圖8是用于本發(fā)明實(shí)施例所用的裝置的示意流程圖。
在直徑0.8m、高度3.0m的吸附塔的下部，高度為30cm處填充以氧化鋁為主成分脫濕劑100kg，形成脫濕劑床2，在脫濕劑內(nèi)部距離吸附劑床側(cè)端10cm處設(shè)置0.5KW的的電加熱器3。在脫濕劑床的上部高度為2.0m處填充Ca A-型沸石600kg，形成吸附劑床。此時(shí)的電加熱容量是可以使空氣溫度升高5℃的容量。使用具有3個(gè)這種吸附塔的PSA裝置，用壓縮機(jī)4將10℃的空氣升壓到500mmH2O的壓力后導(dǎo)入吸附塔，進(jìn)行吸附。解吸是通過真空泵5將吸附塔減壓至230torr后，通過切換閥的切換操作，進(jìn)行PSA操作分離氧氣。PSA操作中的吸附、解吸、儲壓三個(gè)步驟的切換周期是180秒/1個(gè)循環(huán)。
結(jié)果，以28.4N·m3/h速率得到濃度為93vol％的氧氣，氧氣的收率是48％。另外，在脫濕劑床2的原料氣體出口處取樣分析結(jié)果，露點(diǎn)是-60℃，測定操作中吸附塔內(nèi)的溫度分布，得到圖9的結(jié)果。如圖9所示T9是10℃、T10是15℃、T11是20℃、T12是40℃、T9′是15℃、T10′是20℃、T11′是15℃、T12′是35℃。
如圖9所示，盡管加熱器的電容量相當(dāng)于比較例的1/2，但是在吸附時(shí)，可將以往比較例中-20℃的吸附劑床下部的冷區(qū)溫度提高35℃，即達(dá)到15℃。此外，與比較例相比對于相對量的脫濕劑可以提高除去濕氣效果。
比較例1圖5是用于本比較實(shí)施例的裝置的元素流程圖。
在直徑0.8m、高度3.0m的吸附塔的下部，高度為30cm處填充以氧化鋁為主成分脫濕劑100kg，形成脫濕劑床2，其上部高度2.0m處填充Ca A-型沸石600kg，形成吸附劑床1。使用具有3個(gè)這種吸附塔的PSA裝置，伯壓縮機(jī)4將10℃的空氣升壓到500mmH2O的壓力后，用1KW的電加熱器3控制溫度在20℃，將其導(dǎo)入吸附塔，進(jìn)行吸附，解吸是通過真空泵5將吸附塔減壓至230torr后，通過切換閥的切換操作，進(jìn)行PSA操作分離氧氣。PSA操作中的吸附、解吸、儲壓三個(gè)步驟的切換周期是180秒/1個(gè)循環(huán)。
結(jié)果，以29.0N·m3/h速率得到濃度為93vol％的氧氣，氧氣的收率是44％。另外，在脫濕劑床2的原料氣體出口處取樣分析結(jié)果，露點(diǎn)是-55℃，測定操作中吸附塔內(nèi)的溫度分布，得到圖6的結(jié)果。如圖6所示T1是10℃、T2是20℃、T3是-10℃、T4是25℃、T2′是15℃、T3′是-15℃、T4′是20℃。此外，吸附步驟中吸附床的冷區(qū)溫度是-20℃。
工業(yè)應(yīng)用性按照本發(fā)明的方法，可以達(dá)到以下效果(1)吸附劑床下部形成的冷區(qū)大幅度地升溫，使吸附劑床的全部區(qū)域保持在適于吸附的溫度范圍內(nèi)，提高了PSA裝置的氣體分離能力。
(2)與以往方法不同，由于采用了近距離直接加熱，所以可以作到1)與以往方法相比，可以節(jié)約為了使冷區(qū)溫度上升的熱能；2)由于吸附時(shí)，脫濕劑床溫度保持在比以往低的溫度，所以提高了除濕劑的除濕能力；3)由于解吸時(shí)，脫濕劑床溫度保持在比以往高的溫度，所以提高了除濕劑的再生效果；和4)通過2)和3)，對于得到相同的氣體產(chǎn)量，脫濕劑的填充量可以減少到原來的70％以下。此外，對于得到相同解吸壓力，由于可以將真空泵的排氣容量減少，所以，使用比以往小的真空泵也能得到相同的氣體產(chǎn)量。
權(quán)利要求
1.一種通過PSA法的氣體分離方法，該方法在吸附劑床上從易吸附性氣體和難吸附性氣體組成的原料氣體中，通過吸附和除去易吸附性氣體，分離出難吸附性氣體作為產(chǎn)品，其特征是使用在吸附床的原料氣體供給一側(cè)裝有脫濕劑床，并且在吸附劑床和脫濕劑床之間設(shè)有加熱器的氣體分離裝置，吸附步驟時(shí)，通過加熱經(jīng)過脫濕劑床而流入吸附劑床的原料氣體，使得吸附劑床的原料氣體流入部位形成的低溫區(qū)升溫，而當(dāng)解吸步驟時(shí)，加熱經(jīng)過吸附劑床而流入脫濕劑床的解吸氣體。
2.一種通過PSA法的氣體分離方法，該方法在吸附劑床上從易吸附性氣體和難吸附性氣體組成的原料氣體中，通過吸附和除去易吸附性氣體，分離出難吸附性氣體作為產(chǎn)品，其特征是使用包括在吸附床的原料氣體供給一側(cè)裝有脫濕劑床、并且在脫濕劑床的內(nèi)部設(shè)有加熱器的氣體分離裝置，吸附步驟時(shí)，通過加熱經(jīng)過脫濕劑床而流入吸附劑床的原料氣體，使得吸附劑床的原料氣體流入部位形成的低溫區(qū)升溫，而當(dāng)解吸步驟時(shí)，加熱經(jīng)過吸附劑床而流入脫濕劑床的解吸氣體。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中吸附劑是分子篩，原料氣體是空氣。
4.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在吸附步驟期間，吸附劑床的原料氣體進(jìn)入部位的氣體溫度是在10℃～60℃范圍內(nèi)。
5.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在解吸步驟期間，脫濕劑床的解吸氣體進(jìn)入部位的氣體溫度為在10℃～60℃范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中吸附步驟在吸附壓力為大氣壓至4kg/cm2G的壓力下進(jìn)行，而解吸步驟在大氣壓至150torr的壓力下進(jìn)行。
7.權(quán)利要求2所述的方法，其特征是在所述的脫濕劑床上疊層所述的吸附劑床，且加熱器設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)的吸附劑床側(cè)。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征是在所述的加熱器設(shè)置在離吸附劑床側(cè)端脫濕劑床的1/2高度內(nèi)。
9.一種通過PSA法的氣體分離裝置，該裝置在吸附劑床的原料氣供給一側(cè)具有脫濕劑床，其特征是在所述吸附劑床和所述脫濕劑床之間設(shè)置加熱器。
10.一種通過PSA法的氣體分離裝置，該裝置在吸附劑床的原料氣供給一側(cè)具有脫濕劑床，其特征是在所述脫濕劑床上疊層所述吸附劑床，且加熱器設(shè)置在脫濕劑床內(nèi)靠吸附劑床側(cè)。
11.權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述的吸附劑床設(shè)于吸附塔內(nèi)，所述脫濕劑床設(shè)于脫濕塔。
12.權(quán)利要求9或10所述的裝置，其中加壓原料氣體時(shí)產(chǎn)生的熱用作所述加熱器的熱源。
13.權(quán)利要求9或10所述的裝置，其中吸附劑床上部的熱區(qū)產(chǎn)生的熱用作所述加熱器的熱源。
14.權(quán)利要求10所述的裝置，其特征是所述的加熱器設(shè)置在離吸附劑床側(cè)端脫濕劑床的1/2高度范圍內(nèi)。
全文摘要
一種通過PSA法的氣體分離方法及其裝置，該方法在吸附劑床上從易吸附性氣體和難吸附性氣體組成的原料氣體中，吸附除去易吸附性氣體，分離出難吸附性氣體作為產(chǎn)品，其特征是使用在吸附床的原料氣體供給一側(cè)裝有脫濕劑床、并且在吸附劑床和脫濕劑床之間設(shè)有加熱器的氣體分離裝置，吸附時(shí)，通過加熱經(jīng)過脫濕劑床而進(jìn)入吸附劑床的原料氣體，使得吸附劑床的原料氣體流入部位產(chǎn)生的低溫區(qū)升溫，而當(dāng)解吸時(shí)，加熱經(jīng)過吸附劑床而進(jìn)入脫濕劑床的解吸氣體。按照本發(fā)明，可提高氣體分離能力、節(jié)約熱能、提高脫濕劑的除濕能力及再生效果，用此方法，脫濕劑的填充量可以減少到原來的70％以下。
文檔編號B01J8/02GK1124464SQ95190193
公開日1996年6月12日 申請日期1995年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月16日
發(fā)明者春名一生, 三宅正訓(xùn), 鍛治真一, 笹野廣昭 申請人:住友精化株式會(huì)社