專利名稱：兩床吸附器系統(tǒng)中通過變壓吸附分離氣體混合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過在兩床吸附器系統(tǒng)中的變壓吸附，借助于無機吸附劑特別是借助于分子篩沸石的氣體混合物特別是空氣的吸附分離的改進及簡化的方法，該方法在能源方面也是有利的。
人們對于借助于變壓吸附的氣體混合物的吸附分離已認識了20多年，開發(fā)了與之有關(guān)的各種各樣的技術(shù)分離方法。然而所有方法都基于這樣一個原理，即對吸附劑具有較高親合力的氣體混合物(原氣)的氣體部分在所謂的吸附階段中被截留在吸附器中吸附劑的表面上，而不那么強烈吸附的組分可從裝有吸附劑的吸附器中排出。然后通過在吸附階段后降壓和可選地用一部分不那么強烈吸附的氣體沖洗吸附劑來獲得被吸附相的解吸。如果壓力被降至近似環(huán)境壓力或稍高于環(huán)境壓力，即是我們所說的PSA(變壓吸附)系統(tǒng)。在通過真空泵將壓力降到低于環(huán)境壓力的情況中，即是我們所說的VSA(變真空吸附)系統(tǒng)。同樣在這種情況中吸附劑可選地用一部分不那么強烈吸附的氣體沖洗。但也有不用沖洗的情況，特別是例如在空氣的氧氣富集的情況是采用分子篩沸石。將采用過壓吸附和真空吸附的方法定義為PVSA(變壓真空吸附)系統(tǒng)。
在以下描述的細節(jié)中帶“巴”的數(shù)據(jù)應(yīng)理解為相對于環(huán)境壓力過壓，真空壓力“毫巴”應(yīng)理解為絕對值，而Nm3應(yīng)理解為在0℃和1.013巴(絕對壓力)下的m3。
如果是近似環(huán)境壓力下—也即例如-0.05至0.1巴下進行吸附而在例如100至400毫巴(絕對壓力)下進行解吸，那么我們稱之為VSA方法。解吸階段后通常將吸附劑用氣體進料至吸附階段的壓力—在PSA吸附的情況中，采用不那么強烈吸附的氣體部分或原氣或同時采用這兩種氣體。在VSA技術(shù)的情況中，采用不那么強烈吸附的氣體部分進料。
因此上述分離過程分成三個階段吸附(分離)、解吸(降低壓力)以及再進料(增加壓力)，故對于以總體連續(xù)的方式操作的PSA或VSA法需要三個吸附器。
為降低投資費用，有一段時間常采用帶有兩個吸附器和產(chǎn)品緩沖器的VAS系統(tǒng)。由于在這種情況中吸附過程也由三個階段組成—吸附、真空、進料至吸附壓力—但僅有兩個吸附器可用，因此一些階段很平穩(wěn)地進入另一個階段或者各階段被控制得很短。吸附多半在0.1至1巴下進行，而制得的所需產(chǎn)品已經(jīng)存在于高于環(huán)境壓力的加壓空氣中。
在空氣的氧氣富集的PVSA法的情況中兩床吸附器的時間處理順序通常如下(參照圖5和圖6)a)吸附器A中吸附在例如0.4巴(壓力＝PAd-max)過壓時停止。
b)從吸附器A潷析階段(所謂的BFP階段，時間為t1)進入第二吸附器B，壓力降至近似環(huán)境壓力或稍低些，如700毫巴(壓力＝PDes，O)藉此吸附器B被抽真空，B中的壓力從其最低壓力(壓力＝PDes，min)升至較高的壓力，如從200至400毫巴(壓力＝PBFP)。
c)吸附器A的抽真空(時間為t2，t3和t4)；采用或不用經(jīng)真空泵“V”的N2解吸至600和200毫巴(絕對壓力)之間(壓力＝PDes，min)。
d)潷析階段(參照b下面)，結(jié)果吸附器A的壓力從例如200毫巴增加到400毫巴(時間t5)。
e)吸附器A中剩余的進料階段至近似環(huán)境壓力，并且用經(jīng)鼓風機“G”的空氣至吸附壓力，可選地加上環(huán)流“G”，部分在第一進料期，同時也有來自緩沖器“R”(時間t6)的O2產(chǎn)品；借助于壓縮機“K”產(chǎn)品氣體連續(xù)從儲蓄器“R”中排出。
由于O2收率—即產(chǎn)品氣體中O2量與所用的空氣中O2量的比率—對于空氣鼓風機和真空泵所必須提供的能源有著直接的影響，因此已經(jīng)嘗試過通過適宜的措施在抽真空之前結(jié)束過程，使得吸附出口區(qū)中的O2濃度基本上等于進入該區(qū)中O2的濃度。這就是采用將來自出口區(qū)的氣體循環(huán)到進入?yún)^(qū)中的各種方法的情況。
在GB-A 1559325中(特別是圖7和圖8；三吸附器吸附法)在吸附后，例如吸附器A，處于吸附壓力、O2濃度低于產(chǎn)品氣體中O2濃度的氣體被送回進入已經(jīng)進料的吸附器B，以吸附壓力進入到進入?yún)^(qū)，而產(chǎn)品氣體則從吸附器B的進口區(qū)中排出。環(huán)境的時間相對較長，因為O2生產(chǎn)率決定了環(huán)境的數(shù)量及時間。該方法具有重大的缺陷，即產(chǎn)品環(huán)流的時間減少了吸附器加壓或泵出的時間。此外，干燥的氣體經(jīng)沸石原料的上游干燥區(qū)導入，結(jié)果其水分進入了沸石原料的N2-O2分離區(qū)。
在GB-A 2154465中(特別是圖3)，在三吸附器系統(tǒng)中吸附后，例如吸附器A，橫過吸附器A進口區(qū)進入被抽真空的吸附器B的進入?yún)^(qū)進行了壓力補償，藉此降低吸附器A中的壓力而增加了吸附器B中的壓力。相同的方法見述于DE-A 3030081中(特別是

圖1以及塔4，管線18-47)。該方法的一個缺點是被潷析的量受解除壓力的可能壓力差所預定及限制—也即是說不再用于環(huán)境壓力下的吸附情況。
在EP-A 0334495中同樣描述了雙吸附器系統(tǒng)中的壓力補償系統(tǒng)。在抽真空開始時，例如從吸附器A在向下流中進行抽真空，在吸附器A的出口端O2濃度低的氣體同時在向上流中排出并送入已經(jīng)抽真空的吸附器B進入其向上流的進入?yún)^(qū)中。在這個情況下環(huán)境氣體的數(shù)量同樣受到限制，即泵出過程中的壓力差，這是一個缺點。
上述已知的方法具有如下缺點，即所謂的“出口氣”是干燥的，而在環(huán)流的過程中經(jīng)干燥區(qū)導入，結(jié)果水分前部被置換進沸石區(qū)。此外，包含在環(huán)流中的氣體數(shù)量受同向流向中解除壓力的預定壓力差所限制或由于預定參數(shù)如產(chǎn)品數(shù)量所導致的環(huán)流時間太長。結(jié)果，在空氣的O2富集的情況下，O2低(21-90％)的氣體的總的可能數(shù)量不能被循環(huán)。
因此本文的目標是在兩床吸附器系統(tǒng)中通過變壓吸附，尋求一種用于分離氣體混合物特別是空氣的改進的方法，使得可以簡單并且在能源方面也是有利的方式進行吸附分離，以避免將干燥氣體導經(jīng)所謂的潮濕的干燥區(qū)，并避免O2濃度較低的產(chǎn)品氣體(殘余產(chǎn)品氣體)的環(huán)流的缺陷，例如時間的損失或環(huán)流氣體數(shù)量的限制。
采用根據(jù)本發(fā)明的方法可以達到這個目標。
本發(fā)明的主題是通過吸附分離空氣的方法，在兩床吸附器系統(tǒng)中采用分子篩沸石并帶有產(chǎn)品緩沖器以保持氧氣產(chǎn)品的連續(xù)穩(wěn)定流，藉此帶有分子篩沸石的兩個吸附器床以均一的原料的方式或以各種類型的沸石的幾種不同原料的方式存在，以及可選地一層對于水具有選擇性的吸附劑位于原料的向上流，其中吸附期間壓力為近似環(huán)境壓力或最多達0.5巴的過壓，空氣被導入到第一吸附器A，氮氣比氧氣優(yōu)先地吸附到分子篩沸石上，藉此在吸附器A的出口端處獲得具有較高氧氣、濃度在60-96％(體積)之間的產(chǎn)品氣體，吸附后以和吸附逆流、最低壓力為100毫巴至600毫巴(絕對壓力)抽真空進行氮氣以及可選的水分的解吸，其特征在于a)吸附器A在吸附后，壓力從其吸附階段后的最終值降至A)環(huán)境壓力、B)降至600毫巴的低壓或C)高達0.2巴的過壓，并且過程中其進口端被a)關(guān)閉、b)敞開在環(huán)境中或c)仍與空壓機連接，殘余的產(chǎn)品氣體從吸附器A的出口端流進吸附器B的出口端，藉此在該階段的開始時吸附器B處于其最低的100-600毫巴的壓力水平，并且可選地吸附器B經(jīng)其進口端同時被抽真空，藉此吸附器B的壓力a)升高、b)保持恒定或c)降低；b)沒有附加壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器A的進口端導入，在這個過程中吸附器A中的壓力保持在近似環(huán)境壓力或?qū)⑽狡鰽的壓力加料升至環(huán)境壓力，富O2的氣體從吸附器A的出口端導出并經(jīng)吸附器B的進口端導入直至近似達到環(huán)境壓力并且可選地在沒有附加壓縮的情況下將附加的環(huán)境空氣直接導入吸附器B的進口端；c)壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，并且將產(chǎn)品氣體同時供應(yīng)到產(chǎn)品緩沖器中，可選地來自產(chǎn)品緩沖器的供應(yīng)到吸附器B的出口端，并且吸附器A經(jīng)其進口端同時被抽真空；d)吸附器A被抽真空至其100-600毫巴的壓力，并同時在吸附器B中被吸附，而壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，產(chǎn)品氣體經(jīng)吸附器B的出口端導入產(chǎn)品緩沖器中，可選地吸附器A同時經(jīng)其出口端用產(chǎn)品氣體沖洗。
在一特別優(yōu)選的方式中根據(jù)本發(fā)明的方法以下述的方式進行a)在吸附器A中吸附后殘余產(chǎn)品氣體從吸附器A的出口端導出，在這個過程中其壓力降至近似環(huán)境壓力的0.2-0.5巴之間的過壓，以其最低的100-600毫巴的壓力水平經(jīng)其出口端進入吸附器B中，并且可選地吸附器B經(jīng)其進口端同時被抽真空，藉此吸附器B中的壓力升至最大90％的環(huán)境壓力或保持恒定，b)沒有附加壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器A的進口端導入，富O2的氣體從吸附器A的出口端導出經(jīng)吸附器B的進口端導入，直至達到近似環(huán)境壓力為止，并且可選地沒有附加壓縮的附加環(huán)境空氣直接導入到吸附器B中，c)壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，并且可選地將產(chǎn)品氣體從產(chǎn)品緩沖器中同時經(jīng)其出口端導入進入吸附器B中，而且吸附器A同時被抽真空，d)吸附器A被抽真空至100-600毫巴的最低壓力并同時被吸附進吸附器B中，而壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，產(chǎn)品氣體經(jīng)吸附器B的出口端導入產(chǎn)品緩沖器中，并且可選地將吸附器A同時用產(chǎn)品氣體經(jīng)其出口端沖選。
已發(fā)現(xiàn)了在兩床吸附器系統(tǒng)中采用分子篩沸石的空氣的O2富集的吸附方法，借助于該方法生產(chǎn)氧氣所需的能源與常規(guī)方法相比可大為降低，其中特別是在0.05-0.5巴(最大為1巴，過壓)的空氣分離的吸附階段后可選地進行與吸附同向流動的壓力降至例如環(huán)境壓力，該降壓的氣體以已知的方式送入已經(jīng)抽真空的吸附器中，然后環(huán)境空氣以和吸附同向流動的方向流經(jīng)降壓的吸附器，在吸附器出口端含O2的氣體被導出，該出氣被導入到被抽真空并且可選地部分重新加壓的吸附器的進口區(qū)，在進料壓力達到所似環(huán)境壓力或進料氣的O2濃度達到15-90％之間時停止進料，藉此可選地在進料期間環(huán)境空氣同時流進被加壓的吸附器的進口區(qū)，然后該吸附器進一步用環(huán)境空氣以及同時用來自緩沖器與吸附逆流的O2進料至最終壓力為0.03-0.5巴，最大為1巴(過壓)，在達到其最終壓力前，O2產(chǎn)品排進儲存器中，也即當儲存器壓力稍低于吸附器壓力時，在此期間第二個吸附器以逆流方式被抽真空，并且在整個抽真空期間或在抽真空階段后用與空氣分離的逆流方式的O2產(chǎn)品沖洗。
根據(jù)本發(fā)明的方法避免了環(huán)流以及將干燥氣體導入干燥區(qū)的進口旁側(cè)的缺陷。沒有由于環(huán)流所造成的時間損失，而且環(huán)流氣體的數(shù)量也不受限制。
在O2生產(chǎn)(吸附)的最后O2較低的產(chǎn)品氣體(殘余產(chǎn)品氣體)的環(huán)流以及可選地潷析階段可以各種方式進行。
在圖4a-5d中圖解半循環(huán)的各個過程階段作為例子。此外，吸附器中的壓力分布以簡圖的形式示意。
圖4a的實施方案在時間t1，吸附器“A”在近似1個大氣壓時完成其O2生產(chǎn)階段，空氣以近似1個大氣壓和吸附器“A”吸附的同向流動的方向流入，包含O2的氣體在吸附器出口處導出，所述氣體與吸附逆流的方向?qū)脒M吸附器“B”，在吸附器“B”處的真空泵仍然連接，“潷析氣體的數(shù)量”使得可以進行足夠的沖洗，其結(jié)果吸附器中的壓力可能不再進一步降低但保持恒定或升高。在下一階段(時間t2)空氣被連續(xù)地以同向流動的方式導經(jīng)例如吸附器“A”，O2含量低的氣體在吸附器出口處被導出，并且該氣體以和吸附同向流動的方式被送到吸附壓力的吸附器“B”中，如需要，藉此同時將環(huán)境空氣以同吸附同向流動的方式送入吸附器“B”中。放出O2含量低的氣體的吸附器“A”中的壓力為近似環(huán)境壓力。由于具有足夠的環(huán)境空氣用于后續(xù)的分離，因此導出的O2含量低的氣體的數(shù)量在其總量上不受限制。由于在環(huán)境壓力下產(chǎn)生了O2含量低的氣體，結(jié)果系統(tǒng)的壓力損失僅為可能出現(xiàn)放出O2含量低的氣體的吸附器的低壓(參照圖4a，時間t2)。然后在時間t3時吸附器“A”以和吸附逆流的方式抽真空，近似環(huán)境壓力的空氣流經(jīng)吸附器“B”，并且O2產(chǎn)品被導進產(chǎn)品儲存器中。吸附階段和抽真空階段后，吸附器“A”可選地可用部分產(chǎn)品流(時間t4)來沖洗。
在另一實施方案中，根據(jù)圖4b的整個過程與圖4a的過程相似，不同的僅是空氣分離是在高于環(huán)境壓力的壓力下如0.1-0.6巴進行。然后，在吸附階段后吸附器“A”和“B”在出口端相連接，進行所謂的BFP階段—也即是說吸附器“A”的壓力降至吸附器“B”中的環(huán)境壓力，藉此吸附器“B”仍然與真空泵連接，并且吸附器“B”中的壓力可升高。吸附器“A”的減壓也可分兩個階段進行，首先BFP階段從例如0.5巴降至0.2巴，然后加壓壓縮(PB階段)至“A”的環(huán)境壓力，藉此“B”中的真空泵未連接。
在又一個根據(jù)圖4c的實施方案中，時間t2時O2含量低的氣體以減少過壓的形式從例如0.1巴降至近似環(huán)境壓力，循環(huán)進吸附器A中，這是因為潷析階段“BFP”和/或“PB”進入吸附器“A”是在0.1巴時結(jié)束的。
在再一個根據(jù)圖4d的實施方案中，時間t2時O2含量低的氣體以增壓的方式從例如800毫巴(絕對壓力)，也即是說從開始時的低壓增加到近似環(huán)境壓力循環(huán)進入吸附器A中，這是因為潷析階段“BFP”和/或“PB”進入吸附器“A”是在800毫巴(絕對壓力)時結(jié)束的。
關(guān)于圖1，2a，2b和3，將更詳盡地闡述根據(jù)本發(fā)明的方法的實施。
在圖3中示意了吸附器A和B以及O2緩沖器的時間壓力分布圖，在圖2a和2b描述了在各個時間的各過程階段。時間t1經(jīng)閥A4/B4實現(xiàn)部分加壓壓縮。閥A1/A2/A3/B1/B3/AB1關(guān)閉?？諝夤娘L機“G”在環(huán)路中操作。閥B2可以關(guān)閉，在這種情況下產(chǎn)生“純粹的”加壓壓縮(PB)，真空泵“V”然后在環(huán)路上操作。但通過另外開啟閥B1，也可加速PB階段中的進料，但將導致來自鼓風機“G”的空氣從進口旁側(cè)流動。在另外一種變體中，閥B2開啟(BFP過程)，這將導致吸附器B連續(xù)被抽真空。時間t1期間吸附器中的壓力分別從PDes，min增加至PPB或PBFP。
BFP和PB階段的結(jié)合也是可能的，也就是說，首先進行BFP階段(即包括抽真空)，將吸附器A的壓力降至環(huán)境壓力以上，然后PB階段(即部分加壓壓縮)將吸附器A減壓至近似環(huán)境壓力(或稍低)。經(jīng)閥A4/B3和管線LP和LR也可進行潷析階段(PB)，藉此可選地吸附器B也可同時經(jīng)閥B1用空氣裝滿。
時間t1期間，O2含量高的產(chǎn)品從儲存器“R”導出至消費者。時間t2閥A4、B3和A1、B1開啟而剩余的其它閥關(guān)閉?？諝鈮嚎s機在近似環(huán)境壓力下操作，空氣經(jīng)閥A1流進吸附器A，O2含量低的氣體經(jīng)閥A4離開吸附器A，流入環(huán)流管線LR并經(jīng)閥B3流入吸附器B，藉此可選地另外的空氣經(jīng)空氣管線LL流入吸附器B(閥B1)(＝RBF階段)。在這種情況下真空泵在環(huán)路上操作。由于吸附器原料的壓力損失，時間t2吸附器A中的壓力可以很容易地降到低于環(huán)境壓力?？赏ㄟ^在B1控制空氣量，例如通過延遲開啟B1來調(diào)整O2含量低、經(jīng)管線LR到達吸附器B的空氣的數(shù)量。該空氣量取決于最小排氣壓力、吸附器“A”中減壓的壓差以及O2含量高的循環(huán)氣體量。當進料壓力達到近似環(huán)境壓力或其O2濃度達到近似15-90％(體積)時結(jié)束O2含量低的氣體環(huán)流。如果進料氣的量由于進料壓力中的差(在環(huán)境壓力和抽真空壓力之間)太小而受限制，則進料氣的最終O2濃度也遠遠大于21％。在這種情況下不必用空氣另外進料“B”。時間t3吸附器A經(jīng)閥A2排氣。吸附器B經(jīng)閥B1借助于空壓機加壓，藉此閥B2/B3是關(guān)閉的或在另一實施方案中經(jīng)閥B4和AB1同時用來自儲存器“R”中的O2產(chǎn)品進料。在吸附器A抽真空期間，吸附器A可經(jīng)閥AB1/A4用產(chǎn)品沖洗。當儲存器壓力從最大的PAd-max降至其最低壓力PR，m，即達到時間t3的終點。時間t4吸附器A經(jīng)閥A2排氣至其最低壓力PDes，min并同時經(jīng)閥A4用來自產(chǎn)品-氣體管線LP用產(chǎn)品氣體沖洗。經(jīng)閥A4到達吸附器A的沖洗氣體的數(shù)量必須相應(yīng)地為最佳。在BFP過程(參照時間t1)的情況下，該沖洗氣體的量很小或忽略不計。吸附器B經(jīng)閥B1連續(xù)達到其最終壓力，而在時間t4內(nèi)完成O2產(chǎn)品放進儲存器“R”中。
通過互換吸附器A和B以類似于這些過程階段(時間t1-t4)繼續(xù)此過程。
由根據(jù)本發(fā)明的方法用于空氣的O2富集的適宜吸附劑為相對于O2優(yōu)選吸附N2的分子篩沸石，如以Na形式或以用二價堿(土金屬)離子(如Ca、Mg、Sr或其混合物)取代的形式或以用單價離子如鋰、取代率超過85％取代的形式的沸石A和沸石X，或天然沸石或其合成制得的形式如絲光沸石或菱沸石。
根據(jù)本發(fā)明的方法在下述的實施例中更詳盡的描述。實施例對于所有的實施例下述數(shù)據(jù)保持不變儲存器容積 1.5m3吸附器的內(nèi)徑550mm吸附器的填料高度1,800mm環(huán)境壓力約1045毫巴每個吸附器的吸附劑負荷56dm3在吸附器下端的中等孔徑的硅膠，在每種情況下其余原料為240kg根據(jù)EP-A0170026實施例2制得的分子篩Ca沸石A，在500-600℃的氮氣流中進行煅燒。CaO/Al2O3摩爾比為0.72。成粒作用成1-2.5mm直徑的球形。
所供應(yīng)的原料氣的溫度為+30℃并通常在環(huán)境壓力和30℃用水75％飽和。至于真空則使用可經(jīng)機械裝置調(diào)節(jié)的2段回轉(zhuǎn)式活塞鼓風機(“羅茨”型)。借助于回轉(zhuǎn)式活塞鼓風機壓縮原料氣。在每種情況中在吸附器的下端(空氣進入旁側(cè))測定壓力。
真空泵所需的能量從原料泵出上流期間的壓力分布圖中利用1.03巴(絕對壓力)時排氣容量為20000m3/h的已知羅茨鼓風機的特性(能量需求為排氣壓力的函數(shù))來計得。
根據(jù)下述公式來計算鼓風機所需的能量(0.306×Pm-286)×Vo10,306×μ]]>Pm＝1045毫巴V0＝1.03巴(絕對壓力)時空氣量(m3/h)μ＝效率＝0.95實施例1(對比例)采用圖5的裝置。過程順序及壓力分布示于圖6。
時間t11-4秒空壓機位于環(huán)路中。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PBFP＝450毫巴，同時吸附器A中最大壓力PAd-max＝0.3巴降低，藉此在上端的氣體經(jīng)閥A03導出吸附器A并經(jīng)閥B03進入吸附器B中，用真空泵在吸附器B的下端經(jīng)閥B02抽真空。吸附器A中的壓力降至PDes，0＝990毫巴。儲存器R提供壓力為約0.3巴的產(chǎn)品氣體；閥AB01關(guān)閉。
時間t24-9秒吸附器A經(jīng)閥A02被抽真空至近似650毫巴，該吸附器的上端關(guān)閉。吸附器B用來自空壓機“G”的空氣經(jīng)閥B01在下端被加壓至1個大氣壓，同時用來自儲存器“R”的氣體經(jīng)容積控制閥AB01和閥B03進料，藉此儲存器中的壓力從約0.3巴降至近似0.2巴。產(chǎn)品氣體從儲存器R中繼續(xù)導出。
時間t39-13秒吸附器A進一步抽真空，吸附器B用來自空壓機“G”以及來自在時間t2的儲存器“R”的產(chǎn)品的空氣進料。儲存器壓力和吸附器B中的壓力達到0.05巴。
時間t413-30秒吸附器A進一步抽真空，藉此達到250毫巴的最終壓力。空氣經(jīng)空壓機“G”及閥B01流進吸附器B中，產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B03和AB01送入儲存器R，吸附器A以及儲存器R中的壓力達到0.3巴的最終壓力。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，只是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為13Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為46％，計得真空泵的比能值為0.378kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.472kwh/Nm3O2。實施例2(對比例)
采用圖5的裝置，過程順序及壓力分布示于圖6，但t1期間經(jīng)閥A02和B02將真空泵與吸附器分開。
時間t10-4秒閥B01開啟。環(huán)境空氣流進被抽真空的吸附器B中。閥B02關(guān)閉。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PPB-1＝650毫巴，同時吸附器A中的壓力從其最大值PAd-max＝0.3巴降至PDes，0＝990毫巴，藉此氣體從吸附器A的上端經(jīng)閥A03流出經(jīng)閥B03進入吸附器B中。儲存器R提供壓力為約0.3巴的產(chǎn)品氣體；閥AB01關(guān)閉。
時間t24-9秒吸附器A經(jīng)閥A02被抽真空至近似650毫巴，該吸附器的上端關(guān)閉。吸附器B在其下端經(jīng)閥B01用來自空壓機的空氣加壓至環(huán)境壓力，同時用來自儲存器R的氣體經(jīng)容積控制閥AB01和閥B03進料，藉此儲存器中的壓力從約0.3巴降至近似0.2巴。產(chǎn)品氣體從儲存器R中導出。
時間t39-13秒吸附器A進一步抽真空。如在時間t2中吸附器A用空氣及來自儲存器的產(chǎn)品氣體進料。儲存器壓力和吸附器B中的壓力達到近似環(huán)境壓力。
時間t413-30秒吸附器A進一步抽真空，藉此達到250毫巴的最終壓力?？諝饨?jīng)閥B01流進吸附器B中，產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B03和AB01送入儲存器R中，吸附器A和儲存器R中的壓力達到0.3巴的最終壓力。該期間吸附器A用O2產(chǎn)品氣體經(jīng)容積控制閥B03沖洗，藉此沖洗氣體的量被調(diào)節(jié)到真空泵下游殘余氣體中的最大O2濃度的18％(體積)。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，只是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為17.68Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為44％，計得真空泵的比能值為0.379kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.468kwh/Nm3O2。實施例3(對比例；根據(jù)EP-A 0334495(圖3d/4d))采用圖1的裝置。過程順序及壓力分布圖示圖6。
時間t10-4秒空壓機位于環(huán)路中。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PBF-1＝450毫巴，同時吸附器A中壓力從其最大壓力PAd-max＝0.3巴降低，藉此在上端的氣體經(jīng)閥A4流出吸附器A，經(jīng)閥B4進入吸附器B中，并且在吸附器B下端用真空泵經(jīng)閥B3抽真空。吸附器A中的壓力降至PDes，0＝990毫巴。儲存器R提供壓力為約0.3巴的產(chǎn)品氣體；閥AB1關(guān)閉。
時間t2a4-6秒吸附器A經(jīng)閥A2被抽真空至近似650-700毫巴，吸附器A上端經(jīng)閥A4開啟。吸附器B用來自吸附器A中O2含量低的氣體經(jīng)閥A4、管線LP和LR以及進口閥B3進料至近似650毫巴。產(chǎn)品氣體從儲存器中繼續(xù)導出。
時間t2b6-9秒吸附器A經(jīng)閥A2被抽真空至近似450毫巴，吸附器A上端關(guān)閉。吸附器B用來自下端空壓機經(jīng)閥B1的空氣和來自儲存器R的氣體(閥AB1和B4)加壓至約為環(huán)境壓力。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出，儲存器R的壓力降至0.15巴。
時間t39-13秒吸附器A進一步抽真空，如在時間t2b中吸附器B用來自空氣和來自儲存器的產(chǎn)品氣體進料。儲存器及吸附器B中的壓力達到0.05巴。
時間t413-30秒吸附器A進一步抽真空，O2氣體作為沖洗氣經(jīng)閥A4進入，藉此達到250毫巴的最終壓力?？諝饨?jīng)閥B1進入吸附器B中，產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B4和AB1流進儲存器R；吸附器A和儲存器R中的壓力達到0.3巴的最終壓力。通過用閥A4調(diào)節(jié)O2沖洗氣的量。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，僅是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為19.8Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為47.5％，計得真空泵的比能值為0.375kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.466kwh/Nm3O2。實施例4(根據(jù)本發(fā)明)采用圖1的裝置。過程順序示于圖2a/2b，壓力分布圖示于圖3。時間t1期間真空泵用閥A2和B2與吸附器分開。
時間t10-4秒除了A4和B4外吸附器A和B所有閥門均關(guān)閉。結(jié)果O2含量高的氣體從吸附器A中流出進入先前已抽真空的吸附器B。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PPB-1＝650毫巴，同時吸附器A中的壓力從PAd-max＝0.3巴(過壓)降至PDes，0＝環(huán)境壓力。儲存器R提供壓力為約0.3-0.25巴的產(chǎn)品氣體。
時間t24-9秒吸附器B被進料至所似環(huán)境壓力，而空氣經(jīng)閥A1流進吸附器A中，O2含量低的氣體經(jīng)閥A4導出并經(jīng)管線LP和LR及閥B3流進吸附器B中。同時吸附器B經(jīng)容積控制閥B1用空氣裝滿。當O2濃度為20-40％(體積)時停止經(jīng)管線LR用O2含量低的氣體進料。產(chǎn)品氣體從儲存器R中繼續(xù)導出。
時間t39-13秒吸附器A經(jīng)閥A2從環(huán)境壓力被抽真空至近似650毫巴，吸附器B用經(jīng)閥B1的空氣及來自儲存器經(jīng)閥AB1和B4的產(chǎn)品空體進料直至儲存器壓力和吸附器B中的壓近似相同為止。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出。
時間t4；13-30秒吸附器A繼續(xù)抽真空，藉此達到250毫巴的最終壓力。在這一點上，為了協(xié)助N2的解吸，將O2含量高的氣體經(jīng)閥A4導入吸附器A中，導入的氣體使得真空泵出氣中的O2濃度不超過18％(體積)。借助于空壓機吸附器B被加壓至其0.3巴的最終壓力。產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B4和AB1流入儲存器R中。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，只是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為22Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為48％，計得真空泵的比能值為0.341kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.437kwh/Nm3O2。實施例5(根據(jù)本發(fā)明)采用圖1的裝置。壓力分布圖示于圖3。過程順序可從圖2a/2b中看出。
時間t10-4秒只有閥B2、B4和A4是開啟的；吸附器B與真空泵相連。結(jié)果，O2含量高的氣體從吸附器A中流出進入已先抽真空的吸附器B中。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PPB-1＝450毫巴，同時吸附器A中的壓力從PAd-max＝0.3巴降至PDes，0＝環(huán)境壓力。儲存器R提供壓力為約0.3-0.25巴的產(chǎn)品氣體。
時間t24-9秒通過空氣經(jīng)閥A1流進吸附器A中，吸附器B進料至近似環(huán)境壓力，O2含量低的氣體經(jīng)閥A4導出，經(jīng)管線LP和LR及閥B3加壓至吸附器B中。同時吸附器B用空氣經(jīng)容積控制閥B1裝滿。當O2濃度為20-40％(體積)時停止O2含量低、經(jīng)管線LR的氣體進料。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出。
時間t39-13秒吸附器A從環(huán)境壓力經(jīng)閥A2抽真空至近似650毫巴，吸附器B用經(jīng)閥B1的空氣及用經(jīng)閥AB1和B4來自儲存器的產(chǎn)品氣體進料直至儲存器壓力和吸附器B中的壓力達到近似相等為止。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出。
時間t413-30秒吸附器A繼續(xù)抽真空，藉此達到250毫巴的最終壓力。借助于空壓機吸附器B被加壓至其0.3巴的最終壓力。產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B4和AB1流入儲存器R中。吸附器A不用O2產(chǎn)品氣體沖洗。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，只是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為22Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為51％，真空泵的比能值為0.342kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.438kwh/Nm3O2。實施例6(根據(jù)本發(fā)明)采用圖1的裝置。過程順序及壓力分布圖示于圖3。超時的過程順序及壓力可從圖2a/2b和3中看出。
時間t10-4秒只有閥B2、B4和A4是開啟的；吸附器B與真空泵相連。結(jié)果，O2含量高的氣體從吸附器A中流出進入先前已先抽真空的吸附器B中。吸附器B中的壓力從PDes，min＝250毫巴升至PBFP-1＝450毫巴，同時吸附器A中的壓力從PAd-max＝0.3巴降至PDes，0＝1個大氣壓。儲存器R提供壓力為約0.3-0.25巴的產(chǎn)品氣體。
時間t24-9秒通過空氣經(jīng)閥A1流進吸附器A中，O2含量低的氣體經(jīng)閥A4導出，吸附器B進料至近似環(huán)境壓力。由此經(jīng)管線LP和LR及閥B3吸附器B被加壓。同時吸附器B經(jīng)容積控制閥B1用空氣裝滿。當O2濃度為20-40％(體積)時停止經(jīng)管線LR用O2含量低的氣體進料。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出。
時間t39-13秒吸附器A經(jīng)閥A2從環(huán)境壓力抽真空至近似650毫巴，吸附器B用經(jīng)閥B1的空氣和來自儲存器經(jīng)閥AB1和B4的產(chǎn)品進料直至儲存器壓力和吸附器B中的壓力達到近似相同為止。產(chǎn)品氣體繼續(xù)從儲存器R中導出。
時間t413-30秒吸附器A繼續(xù)抽真空，藉此達到250毫巴的最終壓力。借助于空氣鼓風機，吸附器B被加壓至其0.3巴的最終壓力。產(chǎn)品氣體經(jīng)閥B4和AB1流入儲存器R中。通過O2產(chǎn)品氣體從管線LP流出經(jīng)閥A4進入吸附器A中，吸附器A用O2產(chǎn)品氣體沖洗。用閥A4調(diào)節(jié)沖洗氣體的量。
以類似于時間t1/t2/t3/t4的方式進一步進行此過程，只是吸附器A用吸附器B置換。
獲得來自儲存器R的產(chǎn)品氣體的量為22.5Nm3/h，O2濃度為93％。O2收率為52％，計得真空泵的比能值為0.339kwh/Nm3O2，源自泵及空壓機的總能值為0.433kwh/Nm3O2。
實施例3和1相比顯示實施例3的O2含量低的產(chǎn)品氣體環(huán)流增加了O2的收率，但由于在泵出過程中存在著不利的壓力分布圖，因此在真空泵的氣流要求方面沒有改進。
另一方面，和對比實施例1-3相比，在根據(jù)本發(fā)明的實施例4-6中吸附后O2含量低、處于近似環(huán)境壓力的產(chǎn)品氣體的排放在真空泵的能量需求方面則顯示出明顯的改進。
權(quán)利要求
1.在帶有產(chǎn)品緩沖器以保持連續(xù)、恒定的氧產(chǎn)品流的兩床吸附器系統(tǒng)中用分子篩沸石通過吸附分離空氣的方法，藉此帶有分子篩沸石的兩個吸附器床以均一的原料的方式或以各種類型的沸石的幾種不同的原料的方式存在，以及可選地有一層對于水具有選擇性的吸附劑位于原料的向上流，其中吸附期間壓力為近似環(huán)境壓力或多達0.5巴的過壓，空氣被導經(jīng)第一吸附器A，氮氣比氧氣優(yōu)先地吸附到分子篩沸石上，藉此在吸附器A的出口端獲得氧氣含量高、濃度為60-96％(體積)的產(chǎn)品氣體，吸附后以和吸附逆流、最低壓力為100毫巴至600毫巴(絕對壓力)的方式抽真空進行氮氣以及可選的水分的解吸，其特征在于a)吸附器A在吸附后，壓力從其吸附階段后的最終值降至A)環(huán)境壓力、B)降至600毫巴的低壓或C)高達0.2巴的過壓，并且過程中其進口端被a)關(guān)閉、b)敞開在環(huán)境中或c)仍與空壓機連接，殘余的產(chǎn)品氣體從吸附器A的出口端流進吸附器B的出口端，藉此在該階段的開始時吸附器B處于其最低的100-600毫巴的壓力水平，并且可選地吸附器B經(jīng)其進口端同時被抽真空，藉此吸附器B的壓力a)升高、b)保持恒定或c)降低；b)沒有附加壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器A的進口端導入，在這個過程中吸附器A中的壓力保持在近似環(huán)境壓力或?qū)⑽狡鰽的壓力加料升至環(huán)境壓力，富O2的氣體從吸附器A的出口端導出并經(jīng)吸附器B的進口端導入直至近似達到環(huán)境壓力并且可選地在沒有附加壓縮的情況下將附加的環(huán)境空氣直接導入吸附器B的進口端；c)壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，并且將產(chǎn)品氣體同時供應(yīng)到產(chǎn)品緩沖器中，可選地來自產(chǎn)品緩沖器的供應(yīng)到吸附器B的出口端，并且吸附器A經(jīng)其進口端同時被抽真空；d)吸附器A被抽真空至其100-600毫巴的壓力，并同時在吸附器B中被吸附，而壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，產(chǎn)品氣體經(jīng)吸附器B的出口端導入產(chǎn)品緩沖器中，可選地吸附器A同時經(jīng)其出口端用產(chǎn)品氣體沖洗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1在帶有產(chǎn)品緩沖器以保持連續(xù)、恒定的氧產(chǎn)品流的兩床吸附器系統(tǒng)中采用分子篩沸石通過吸附分離空氣的方法，其特征在于a)在吸附器A中吸附后殘余產(chǎn)品氣體從吸附器A的出口端導出，在這個過程中其壓力降至近似環(huán)境壓力的0.2-0.5巴之間的過壓，以其最低的100-600毫巴的壓力水平經(jīng)其出口端進入吸附器B中，并且可選地吸附器B經(jīng)其進口端同時被抽真空，藉此吸附器B中的壓力升至最大90％的環(huán)境壓力或保持恒定，b)沒有附加壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器A的進口端導入，富O2的氣體從吸附器A的出口端導出經(jīng)吸附器B的進口端導入，直至達到近似環(huán)境壓力為止，并且可選地沒有附加壓縮的附加環(huán)境空氣直接導入到吸附器B中，c)壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，并且可選地將產(chǎn)品氣體從產(chǎn)品緩沖器中同時經(jīng)其出口端導入進入吸附器B中，而且吸附器A同時被抽真空，d)吸附器A被抽真空至100-600毫巴的最低壓力并同時被吸附進吸附器B中，而壓縮的環(huán)境空氣經(jīng)吸附器B的進口端導入，產(chǎn)品氣體經(jīng)吸附器B的出口端導入產(chǎn)品緩沖器中，并且可選地將吸附器A同時用產(chǎn)品氣體經(jīng)其出口端沖選。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過在兩床吸附器系統(tǒng)中的變壓吸附,借助于無機吸附劑特別是借助于分子篩沸石的氣體混合物特別是空氣的吸附分離的改進及簡化的方法,該方法在能源方面也是有利的。
文檔編號B01D53/053GK1196274SQ98104348
公開日1998年10月21日 申請日期1998年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者G·雷斯, B·赫斯, R·沃特爾 申請人:拜爾公司