專利名稱：：壓力變化吸附設(shè)備的床粒度和床厚度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種壓力變化吸附(PSA)式方法，該方法用于分離本質(zhì)上包括氧氣和氮?dú)獾臍鈶B(tài)流，例如空氣；該分離方法是用吸附材料例如沸石優(yōu)先吸附氮?dú)?，以便生產(chǎn)氧或一種富含氧的氣態(tài)流，也就是說，使其中的氮?dú)饪萁?。氧氣是一種具有高工業(yè)利益的氣體，因?yàn)樗诟鞣N
技術(shù)領(lǐng)域：
中有多種用途，例如生產(chǎn)鋼、玻璃、紙張、藥、金屬焊接、燃燒和污染控制。目前，生產(chǎn)氧氣所用的技術(shù)之一是壓力變化吸附(PressureSwingAdsorption-PSA)技術(shù)。在本發(fā)明的上下文中，PSA方法所指不僅是PSA方法，還包括與之類似的方法，如真空變化吸附(VacuumSwingAdsorption-VSA)或混合壓力變化吸附(MixedPressureSwingAdsorption-MPSA)方法。根據(jù)這種PSA技術(shù)，在本質(zhì)上包含氧氣和氮?dú)獾臍鈶B(tài)混合物(例如空氣)中的氧氣，被從所述混合氣體中分離出來；分離的方法是用一種優(yōu)先吸附氮?dú)獾奈镔|(zhì)將氮?dú)鈴乃龌旌蠚怏w內(nèi)吸收；所述對(duì)氮?dú)獾奈绞峭ㄟ^在分離區(qū)內(nèi)形成壓力變化來實(shí)現(xiàn)的；不被吸附或很少被吸附的氧氣，在所述分離區(qū)的出口處被回收。這種PSA方法已在現(xiàn)有技術(shù)中多次介紹過。一般說，一個(gè)PSA方法總包括-吸附氮?dú)獾碾A段，這時(shí)由一種吸附材料，在被稱為“高壓”的吸附壓力下吸附氮?dú)猓?對(duì)被吸附劑所捕集的氮?dú)獾慕馕诫A段，這是在低于吸附壓力、被稱為“低壓”的解吸附壓力下進(jìn)行的；-對(duì)包含吸附劑的分離區(qū)的再加壓階段，這時(shí)由低壓變到高壓；所生產(chǎn)的氧氣在氮?dú)馕诫A段被回收?；诖?，可以容易地理解到，氣態(tài)混保體的分離效率取決于為數(shù)眾多的參數(shù)，例如高壓、低壓、吸附劑的材料類型、吸附劑材料對(duì)被分離組分的親合力、被分離氣態(tài)混合物的成分構(gòu)成、被分離混合物的吸附溫度、吸附劑顆粒的尺寸和形狀、吸附劑顆粒的成分構(gòu)成，吸附床的厚度以及在所述吸附床內(nèi)所建立的溫度梯度。迄今為止，還未能建立確定這些參數(shù)的一般規(guī)律，因?yàn)楹茈y找出這些不同參數(shù)彼此之間的關(guān)系。特別是，雖然知道了吸附床的厚度、吸附劑的顆粒粒度和固有空間(deadvolumes)對(duì)于PSA設(shè)備的性能具有不可忽視的影響，尤其像對(duì)壓力降的影響，迄今為止，還沒有根據(jù)吸附劑的顆粒粒度、并考慮固有空間以選取吸附床厚度的確定方法。換句話說，為數(shù)眾多的文獻(xiàn)介紹了吸附劑顆粒粒度的取值范圍和吸附床厚度的取值范圍，卻沒有建立這些取值范圍間的實(shí)際關(guān)系。此外，某些文獻(xiàn)公開了吸附劑粒度與循環(huán)時(shí)間和/或吸附床厚度取值的組合方案。于是，EP-A-0480797提出一個(gè)PSA方法，該方法使用直徑為0.4毫米至1.7毫米的吸附劑顆粒，循環(huán)時(shí)間為至少20秒至60秒。另外，美國(guó)專利No.4,194,892公開了一種設(shè)備，其吸附床厚最多不過為2.4米，吸附劑顆粒直徑最多不過為0.9毫米，其循環(huán)時(shí)間最少為30秒；而美國(guó)專利No.4,194,891介紹了一種吸附床厚度最多不過為1米，吸附劑顆粒的直徑最多不過為0.9毫米，其循環(huán)時(shí)間少于18秒。此外，美國(guó)專利No.5,071,449介紹了一種吸附床，其厚度為0.15米至1米，吸附劑顆粒直徑為0.2毫米至1毫米，其循環(huán)時(shí)間由6秒至60秒；而Yang于1989年發(fā)表的文件“氣體的吸附分離方法”第267頁公開了一種吸附床，其厚度為1.8米至3米，吸附劑顆粒的直徑為1.6毫米，其循環(huán)時(shí)間為3分鐘至4分鐘。值得注意的是，對(duì)于同樣的吸附劑顆粒直徑，不同文獻(xiàn)所推薦的吸附床厚度有極大的差異，并未實(shí)際給出一種精密的選擇方案，而且并未考慮吸附器內(nèi)部固有空間所構(gòu)成的幾何約束。此外，大家知道，PSA設(shè)備所用的吸附劑價(jià)格昂貴，于是必須且希望力求減少吸附劑的用量，因此，要減小吸附床的厚度以降低氧氣的生產(chǎn)成本。然而，減小吸附床的厚度必須不致與PSA設(shè)備的性能相違背，特別是不得影響到所述PSA設(shè)備的產(chǎn)量和生產(chǎn)率。本發(fā)明的目的在于提供一種PSA方法，其中吸附床的厚度-本質(zhì)上只取決于所用吸附劑顆粒的平均粒度，尤其是吸附劑為球形時(shí)的平均直徑，-考慮到吸附床固有空間的幾何約束；-不致對(duì)PSA方法的能耗構(gòu)成負(fù)面影響；此外，本發(fā)明的分離方法易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，并可顯著降低氧氣的生產(chǎn)成本。本發(fā)明涉及一個(gè)PSA方法，該方法用于分離本質(zhì)上包含氧氣和氮?dú)獾臍鈶B(tài)流，通過由至少一個(gè)厚度為(e)的吸附床，和吸附劑材料平均顆粒粒度為(d)所構(gòu)成的至少一個(gè)分離區(qū)，優(yōu)先吸附氮?dú)?；其中，吸附床厚?e)按下式選取300&le;ed&le;1000]]>式中e和d的單位為毫米。在本發(fā)明中，平均顆粒粒度是材料顆粒的平均水力直徑(Meanhydraulicdiameter)。最好，比值在400至800之間選取。如所選實(shí)施例，本發(fā)明可包含下列之一個(gè)或幾個(gè)特征-吸附高壓在105Pa至106Pa之間選取；-進(jìn)氣溫度(Tfeed)在10℃至60℃之間，最好是25℃至45℃之間；-被分離的氣態(tài)流是空氣；-吸附劑選用X型或A型沸石，最好所述沸石中最少含有50％的AlO2并伴有正離子，該正離子由包含正離子鈣、鋰、鋅、銅、錳、鎂、鎳或任何堿性金屬或堿土金屬所構(gòu)成的組中選?。?循環(huán)時(shí)間小于120秒，最好小于100秒；-e值在0.1米至2米之間，最好在0.2米至1.5米之間；-d值在0.1毫米至5毫米之間，最好在0.2毫米至3毫米之間；-吸附劑的形狀本質(zhì)上為球形、卵形、橢圓形、桿形或類似形狀。如前面所指出，大家知道吸附劑的平均粒度和吸附床的厚度，對(duì)于吸附床內(nèi)所產(chǎn)生的壓力降具有巨大的影響。于是為了限制這些壓力降，從而維持PSA設(shè)備的正常性能，便希望減小吸附床的厚度。然而，在吸附器內(nèi)部存在著不可避免的固有空間，該固有空間對(duì)于PSA方法具有負(fù)面影響。就是說-在吸附床的上游一側(cè)，即進(jìn)氣一側(cè)，存在著不可壓縮的固有空間，該空間的厚度為a(即圖1中的供氣空間)，相當(dāng)于分離用于給吸附劑的第一隔離閥和吸附床開始部所需空間、位于吸附床上游的干燥材料顆粒床所需空間、吸附器中供氣(空氣)分配系統(tǒng)等等所需要的空間。-在吸附床的下游一側(cè)，即生產(chǎn)一側(cè)，也存在著不可壓縮的固有空間，該空間的厚度為b(圖1中的生產(chǎn)空間)，相當(dāng)于分開位于吸附床末端用于吸附器生產(chǎn)的截止閥，以及氣體(氧氣)回收的生產(chǎn)系統(tǒng)等所需的空間。這樣一來，吸附床的厚度e的減小(由厚度e1減小為厚度e2)可以用示意圖表示為圖1所示，從圖可以看出，對(duì)于一給定的濾網(wǎng)厚度e。固有空間相當(dāng)于吸附床空間V0的一部分等于(a+b)/e。換句話說，當(dāng)厚度a和b不變(不可壓縮的固有空間)，固有空間相對(duì)于吸附劑空間的比例，隨著吸附床厚度e的減小而呈雙曲線方式增長(zhǎng)。隨之而來的是，要獲得或維持PSA設(shè)備的良好性能，對(duì)于給定的平均顆粒度，要求精確地確定吸附床的厚度。本發(fā)明并且涉及采用實(shí)施PSA方法的裝置諸如上述方法，其中還包括至少一個(gè)分離區(qū)，最好是一至三個(gè)分離區(qū)或吸附器。下面將結(jié)合實(shí)例和用圖解說明方式給出的圖，對(duì)本發(fā)明給予更詳盡的介紹，但本發(fā)明不限于這些實(shí)例。實(shí)例為了驗(yàn)證如本發(fā)明所述的PSA方法的效能，通過仿真和對(duì)每一個(gè)仿真試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究；所述仿真是按下文所述方案進(jìn)行的。借助于一合適的仿真程度已模擬了(在絕熱模式下)下列結(jié)果。所用仿真程序是依據(jù)質(zhì)量守恒原理、焓守恒原理和運(yùn)動(dòng)量守恒原理，并使用線性驅(qū)動(dòng)力模型(參閱“PrinciplesofAdsorptionandAdsorptionProcesses”-“吸附原理與吸附方法”一書第242至243頁，該書由D.M.Ruthven編著，JohnWiley&amp;Sons1984年出版，或參閱VCS出版社1994年出版的“PressureSwingAdosorption”-“壓力變化吸附”一書第58至61頁)以對(duì)在吸附劑物質(zhì)內(nèi)部固態(tài)-氣態(tài)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)估。此類仿真模型在Ruthven,Farooq和Knaebel等所著，VCH出版社出版的“PressureSwingAdosorption”(“壓力變化吸附”)一書的172至209頁和S.Ergun在Chem.Engr.Prog.(化學(xué)工程師)的48(2),89(1952)所發(fā)表的“FluidFlowThroughPackedColums”(“封裝塔內(nèi)的流體流”)有專門的介紹。這些方程的解可以用DIVPAG程序求解，該程序是InternationalMathematicalandstisticalLibrary開發(fā)，由MicrosoftTMCompany銷售；或者用AspentechTMCompany銷售的ADSIM程序。從現(xiàn)有技術(shù)看，從市場(chǎng)上現(xiàn)有為數(shù)眾多的程序中很容易選到一種合適的仿真程序，并插入上述數(shù)據(jù)。如果需要，還可參閱D.G.Hartzog和S.Sircar在“Adsorption”(“吸附”)雜志1995年第1期133至151頁發(fā)表的文獻(xiàn)“SensitivityofPSAProcessPerformancetoInputVariables”(“PSA方法性能對(duì)輸入變量的敏感性”)中所介紹的一個(gè)類似的程序。在下列全部程序中，準(zhǔn)備用于分離的氣態(tài)混合物本質(zhì)上包含氧氣和氮?dú)狻４送?，本發(fā)明之PSA方法的經(jīng)濟(jì)性能，也已用相同方式對(duì)下例各例進(jìn)行了評(píng)價(jià)，也就是說有仿真和用下列關(guān)系式進(jìn)行了評(píng)價(jià)。單位能耗指數(shù)(ES)是由下式得出的(在溫度為20℃，相對(duì)濕度為70％條件下)ES=(1-Rt&CenterDot;0.2096+0.0166)&CenterDot;&Integral;KWcycle(&Delta;P)&CenterDot;dtR&CenterDot;0.2096&CenterDot;&Integral;cycleQ(&Delta;P)&CenterDot;Pasp&CenterDot;273&CenterDot;dt1.013&CenterDot;Tasp&CenterDot;10.95&CenterDot;0.98]]>式中-R為生產(chǎn)能力(％)；-t為所生產(chǎn)氣體中的氧氣含量；-ΔP為機(jī)器進(jìn)氣口壓力(Pasp)與出氣口壓力(Pref)間的壓力差，即真空泵與空氣壓縮機(jī)間的壓力差。本計(jì)算所用的壓力降為，在空氣壓縮機(jī)進(jìn)口端為1500Pa(在105Pa)，空氣壓縮機(jī)出口端壓力為4000Pa(在105Pa)，真空泵進(jìn)氣口為2000Pa(在105Pa)，真空泵出氣口端為1500Pa(在105Pa)；-Kw為瞬時(shí)軸馬力，Q為機(jī)器的瞬時(shí)流量，這些數(shù)值均由機(jī)器的技術(shù)特性所給定；-電機(jī)的輸出效率為95％；-傳動(dòng)輸出效率為98％；-Tasp為吸入空氣的溫度，即進(jìn)入機(jī)器的空氣的溫度。投資指數(shù)(I2)是由一個(gè)參考投資指數(shù)(I1)計(jì)算，并由下式求得式中&Sigma;i=112(C1,i)=I1]]>是參考投資指數(shù)，該參考投資指數(shù)是由表Ⅰ中所列之各種成本構(gòu)成單元計(jì)算所得；Y2,i和Y1,j是表Ⅰ中所列之成本參數(shù)；αi表示外插乘方(ExtrapolationPower)，用于考慮每一成本構(gòu)成單元所實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效果(參見表Ⅰ)表Ⅰ<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="706">成本組成單元成本αiYi裝閥門的裝置、框架、吸附器、支架c0.1α1吸附器容量吸附劑c0.2α2濾網(wǎng)生產(chǎn)成本閥門c0.3α3產(chǎn)量真空泵c0.4α4真空泵流量PSA所用進(jìn)氣壓縮機(jī)c0.5α5壓縮機(jī)流量PSA所用氧氣出口壓縮機(jī)c0.6α6″調(diào)節(jié)、控制、自動(dòng)化裝置c0.7α7″工程c0.8α8″運(yùn)輸c0.9α9吸附器的體積安裝與啟動(dòng)c0.10α10吸附器的體積一般費(fèi)用c0.11α11″后勤保障c0.12α12″</table></tables>氧氣的成本指數(shù)(CO2)由下式評(píng)價(jià)CO2=ES&times;Pe+CC&times;IPan]]>式中-ES為單位能耗指數(shù)；-I為投資指數(shù)；-Pe為平均能耗成本(如電能等等)；-CC為包括安裝與維修損耗的成本參數(shù)；-Pan為氧氣產(chǎn)品的年產(chǎn)量。在下列各例中，對(duì)PSA方法的性能研究，是用不變的機(jī)器，按給定的循環(huán)時(shí)間進(jìn)行的。所用的循環(huán)時(shí)間的總持續(xù)時(shí)間為3×15秒或3×30秒(三臺(tái)吸附器并行運(yùn)行)，并可大致描述如下-正常生產(chǎn)階段，該階段在高壓狀態(tài)下進(jìn)行，其壓力數(shù)量級(jí)為1.1·105Pa；也就是說，這一階段中吸附氮?dú)猓蛛x出氧氣；-低并流平衡階段；-低壓清洗階段，壓力數(shù)量級(jí)為0.3·105Pa，也就是說對(duì)吸附床所捕獲的氮?dú)饨馕剑⑺龅獨(dú)獬槌觯?淘析階段-再次壓力增大階段生產(chǎn)氧氣，即從低壓轉(zhuǎn)向高壓開始一個(gè)新的分離循環(huán)。不同的仿真已用不變的機(jī)器進(jìn)行，即機(jī)器(真空泵和鼓風(fēng)機(jī))的選取是按照要提供的高壓和低壓的需求確定的，分別為1.1·105Pa和0.3·105Pa，在標(biāo)準(zhǔn)情況下，空氣進(jìn)氣溫度為20℃(Tasp)，吸附劑的空氣供氣溫度為35℃(Tfeed)。進(jìn)氣溫度20℃(Tasp)相當(dāng)于地區(qū)，如歐洲，溫度的平均溫度。下列試?yán)梦絼┎牧蠟锳型沸石，該沸石包含80％帶有鈣正離子的AlO2(下文中表示為CaA)。這種目前市場(chǎng)有售的沸石用于在三個(gè)吸附器中，厚度為e(按毫米計(jì))的單床，所述沸石床之前和其后均有前面所提到的固有空間。所獲結(jié)果均由指數(shù)給出試?yán)?本例中，固有空間的厚度a和b(參看圖1)進(jìn)氣一側(cè)(VM進(jìn)氣)和生產(chǎn)一側(cè)(VM生產(chǎn))的最小厚度分別確定為a=240毫米和b=120毫米，分別相當(dāng)于厚度為700毫米的吸附床吸附劑體積的34％和23％。這里，正如在實(shí)際中那樣，在于探索最大限度減少這些具有負(fù)面影響的空間的可能性。此外，對(duì)于具有平均粒度為0.5毫米，1毫米，1.5毫米和2毫米的吸附劑顆粒的不同吸附床厚度進(jìn)行了試驗(yàn)；所述顆粒本質(zhì)上為球形的球。所獲試驗(yàn)結(jié)果列于表Ⅱ(循環(huán)時(shí)間為3×15秒)至表Ⅸ(循環(huán)時(shí)間為3×30秒)；所列氧氣生產(chǎn)成本指數(shù)按一臺(tái)PSA設(shè)備每天生產(chǎn)100噸氧氣給出的。表ⅡN.D.未定表ⅢN.D.未定表Ⅳ表Ⅴ表ⅥN.D.未定表Ⅶ表Ⅷ表Ⅸ為了更好地理解所獲得的結(jié)果，圖2至圖5給出了氧氣產(chǎn)品成本指數(shù)和單位能耗(ES)，它們分別表明-單位能耗指數(shù)(ES)在3×15秒的循環(huán)時(shí)間是比值的函數(shù)(圖2)；-氧氣(O2)的成本指數(shù)，在3×15秒的循環(huán)時(shí)間是比值的函數(shù)(圖3)；-單位能耗指數(shù)(ES)在3×30秒的循環(huán)時(shí)間是比值的函數(shù)(圖4)；-氧氣(O2)的成本指數(shù)在3×30秒的循環(huán)時(shí)間是比值的函數(shù)(圖5)。這些不同的曲線立即可顯現(xiàn)出單位能耗的最小值和氧氣產(chǎn)品的最低成本，是在比值取在300至1000范圍內(nèi)，最好是取在400至800之間，無論P(yáng)SA方法的循環(huán)持續(xù)時(shí)間為多少(3×30秒或3×15秒)。換言之，這些不同的試驗(yàn)令人驚奇地表明當(dāng)循環(huán)時(shí)間減少，并不絕對(duì)需要也減小吸附床的厚度；相反，減小吸附床的厚度可能在某些情況下對(duì)所用PSA方法的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。權(quán)利要求1．用于分離本質(zhì)上包含氧氣和氮?dú)獾臍鈶B(tài)流的PSA方法，該方法是優(yōu)先通過至少一個(gè)分離區(qū)的至少一個(gè)厚度為e的吸附劑床，該吸附劑床的吸附劑材料的平均粒度為，優(yōu)先吸附氮?dú)?；其中吸附劑床的厚度e按下式確定300&le;ed&le;1000]]>e和d以毫米為單位。2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特點(diǎn)在于，比值(e/)在400至800之間選取。3．如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，循環(huán)時(shí)間小于120秒，最好是小于100秒。4．如權(quán)利要求1至3其中之一所述的方法，其特征在于，e的取值在0.1米至2米之間，最好是在0.2米至1.5米之間取值。5．如權(quán)利要求1至4其中之一所述的方法，其特征在于，d值取值在0.1毫米至5毫米之間，最好是在0.2毫米至3毫米之間取值。6．如權(quán)利要求1至5其中之一所述的方法，其特征在于，吸附劑的形狀本質(zhì)上為球形、卵形、橢圓形、桿形或其它類似形狀。7．如權(quán)利要求1至6其中之一所述的方法，其特征在于，準(zhǔn)備用于分離的氣態(tài)流為空氣。8．如權(quán)利要求1至7其中之一所述的用于實(shí)施PSA方法的裝置，其特征在于，該裝置至少包括一個(gè)分離區(qū)。9．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置包括1至3個(gè)分離區(qū)。全文摘要一種將氣態(tài)流分離的壓力變化吸附方法,該氣態(tài)流本質(zhì)上包含氧氣和氮?dú)?例如空氣,該分離方法經(jīng)過至少一個(gè)分離區(qū)優(yōu)先吸附氮?dú)?該分離區(qū)至少有一個(gè)厚度為(e)的吸附床,吸附劑材料的平均顆粒尺寸為(d),其中吸附床的厚度(e)按下式選取:300≤e/文檔編號(hào)B01D53/047GK1213579SQ98118699公開日1999年4月14日申請(qǐng)日期1998年8月26日優(yōu)先權(quán)日1997年8月28日發(fā)明者克里斯托夫·蒙福爾,多米尼克·魯熱,塞爾日·莫羅申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司