專利名稱：真空變壓吸附系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及從氣體混合物中分離各氣體組分的真空變壓吸附(VPSA)系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及利用低價的壓縮機零件，采用相對較高的解吸壓力(底壓)、采用低的吸附解吸壓力比和更簡單更快的工藝循環(huán)，從空氣中分離氧氣的雙床VPSA系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的技術(shù)背景較純的氧氣(即氧含量為88％或以上的含氧氣體)以不同的壓力和純度具有許多所希望的工業(yè)和醫(yī)藥應用。通常包含約21％的氧氣的地球上的大氣是用作經(jīng)濟氧氣源的天然的候選者。因此，許多實施和經(jīng)濟的氧氣生產(chǎn)裝置都采用空氣分離系統(tǒng)和方法。
以較大規(guī)模體積生產(chǎn)氧的較通用的系統(tǒng)之一是綜合的低溫工藝，從空氣混合物中液化和分離所希望的預定純度的氧氣組分。雖然這種設(shè)計工作對高體積的氧氣生產(chǎn)(300噸/日以上)和/或很高純度氧氣(如97-99.99％)進行很好，但是專門研究的低溫硬件和與高投資相關(guān)的前期工作的經(jīng)費，使得這類系統(tǒng)用于低到中等體積如約30-約200噸/目的含氧氣體和氧濃度為高于88％和高達95％的含氧氣體生產(chǎn)時，價格高得驚人。
為以中等規(guī)模的量和較低純度(通常25-40％)生產(chǎn)氧氣，一種實際而又非常有利的空氣分離系統(tǒng)是利用一種聚合物膜。該膜對氧氣有較高的選擇性和高的氮氣通量。壓縮空氣加到膜，所希望的氧氣組分以較中等純度保留，而其余的(不希望的)組分作為廢氣通過。通過兩級或以上的連續(xù)的膜分離級可以提高保留的氧量。作為多級膜工藝和低溫工藝的可供選擇方法，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已開發(fā)出了利用分子篩吸附劑，以高純度通常為88-93％和高達約95％有效地生產(chǎn)氧氣的空氣分離系統(tǒng)。在變壓吸附(PSA)和真空變壓吸附系統(tǒng)(VPSA)中使用，吸附劑一般作用于空氣中各個組分(N2和O2)之間的四極矩，實現(xiàn)組分的分離。
最早的PSA是由Skarstrom研究的美國專利2,944,627號，該PSA的一個循環(huán)由四個步驟組成(1)吸附，(2)解吸，(3)吹洗，和(4)再加壓。Skarstrom循環(huán)包括幾種變形。在Wagner的美國專利3,430,418號中描述了一種這樣的系統(tǒng)，其中為連續(xù)地生產(chǎn)產(chǎn)品，要求至少四個吸附床。提供四個吸附床而不是較小數(shù)目(優(yōu)選兩個吸附床)的吸附床增加了成本和復雜性，使得Wagner系統(tǒng)在經(jīng)濟上是不能實行的。
在美國專利3,636,679號中，Batta公開了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，壓縮空氣和產(chǎn)品氧氣(從進行均壓降壓步驟的另一吸附床得到)同時引入同一吸附床的相對兩端。McCombs在美國專利3738,087號中描述了通過使用兩床系統(tǒng)實現(xiàn)進一步節(jié)省設(shè)備費用的另一方法，在該方法中采用把原料空氣引入部分再加壓的吸附床提高吸附步驟的壓力。McCombs,Eteve等繼續(xù)研究，在美國專利5,223,004號中公開了利用下述步驟的PSA法(1)逆流產(chǎn)品氣加壓從循環(huán)的低壓開始到一中間壓力，(2)原料氣并流加壓從中間壓力升到吸附壓力，而不放出，(3)生產(chǎn)步驟，在該步驟中空氣進氣，和氧氣并流地放出，(4)通過并流地部分減壓氧氣被放出的步驟，在該步驟中空氣進氣停止，和(5)逆流地減壓降低到循環(huán)的低壓的解吸步驟。
在文獻中可發(fā)現(xiàn)最早PSA循環(huán)的更多變體。例如，美國專利4,194,891號、4,194,892號和5,122,164號都描述了利用短循環(huán)時間的PSA循環(huán)，在這些PSA法中使用更小粒徑的吸附劑，降低擴散阻力；Poshi等的美國專利4,340,398號公開了使用三個或以上吸附床的PSA法，在該PSA法中在吸附床再生前，空隙空氣轉(zhuǎn)移到一個罐中，后來用于再加壓。此外，在美國專利3,788,036號和3,142,547號中公開了引入平衡罐的改進的兩吸附床PSA法，在該方法中用保存氣作其它吸附床的吹洗氣。
近來，Tagawa等的美國專利4,781,735號公開了利用三個吸附床生產(chǎn)氧氣的PSA法，通過把一個吸附床的加料端與另一個吸附床的加料端相連接(底底平衡)，和對于全部或部分的平衡時間，與底底平衡同時進行的頂頂床平衡來實現(xiàn)提高氧氣的回收率。此外，Kumar等的美國專利5,328,503號公開了使用初始的減壓步驟提供吹洗氣，隨后可進行床-床加壓平衡步驟的PSA法。按照這篇專利提供的PSA法，采用至少兩個吸附劑床，使用產(chǎn)品氣和原料氣相結(jié)合進行吸附床的再加壓。
Liow和Kenny(AICHE J.vol.36,P.53,1990)公開了通過計算機模擬從空氣生產(chǎn)氧氣的“反充循環(huán)”。他們公開了在生產(chǎn)富氧氣產(chǎn)品的循環(huán)中，包括逆流的(相對于加料方向)產(chǎn)品氣再加壓步驟是有利的。
在Baksh等的美國專利5,518,526號中，公開了從氣體混合物如空氣中分離第一種氣體如含氧氣體的改進的PSA法。該方法包括PSA床的同時的均壓和抽空，隨后的同時進行原料氣和產(chǎn)品氣再加壓的步驟。其結(jié)果是總的循環(huán)更快更有效，100％利用真空式吸送器(或降低壓力)和節(jié)能在前述已知方法的約15％以上。更具體地說，Baksh等的方法包括PSA循環(huán)的各個步驟交接，減少總循環(huán)時間，因此提高了生產(chǎn)率。其它的重要工藝參數(shù)包括操作條件(高壓值，低壓值，均壓降壓步驟的終止壓力和用于產(chǎn)品氣再加壓步驟的高純產(chǎn)品氣的量)的選擇、每個步驟的時間分配、循環(huán)中每個步驟的執(zhí)行次序和使用均壓降壓氣提供回流和均壓升壓所需的氣體。該循環(huán)包括進行均壓升壓步驟的一個床(“第一床”)的抽空步驟，而另一個床(“第二個床”)同時進行均壓降壓步驟。必須選擇這個步驟的時間分配，因此在這個步驟結(jié)束時，第一床已經(jīng)吹洗，并且也已部分加壓。該循環(huán)中的下一個步驟是在第一床的相對兩端，同時進行產(chǎn)品氣和原料氣的加壓，接著原料氣加壓到所要求的吸附壓力。Baksh等的方法的其它特征如下(a)在原料氣和產(chǎn)品氣同時加壓的步驟中，所要求的產(chǎn)品氣通常來自產(chǎn)品氣罐或生產(chǎn)步驟中的其它床；和(b)并流減壓或均壓降壓氣去另一床的下流端，或到第二貯罐。在后面的情況下，不需要床-床聯(lián)通，這進一步增加了控制PSA方法的靈活性。
1996年3月7日提交的共同轉(zhuǎn)讓的申請?zhí)枮?8/611942的共同未決美國專利申請描述了與Baksh等相似的VPSA法，該方法也包括(a)增加逆流減壓到低壓(解吸壓力)的步驟，在該步驟期間，富集的氮氣從加料端(廢氣)和產(chǎn)品氣端(通常再加壓另一床)排出，該步驟插入(ⅰ)并流減壓到中等降壓壓力(收集用于另一床的均壓氣)和(ⅱ)隨后的逆流減壓和抽空氮之間；和(b)增加從加料端排出較富氮氣，而在(ⅱ)之后和在從加料端排氣完成之前，同時用氧氣吹洗。
盡管在本技術(shù)領(lǐng)域取得了這種所希望的進展，但是PSA/VPSA法仍保持低于所希望的效率和更高的投資費用，特別是在大的裝置中生產(chǎn)高純氧(約88-約95％)時，特別是在與低溫蒸餾相比較時更是如此。所以在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，要求再進一步改進PSA/VPSA法，這種非常希望的PSA/VPSA法在工業(yè)裝置中使用效率高，所以更經(jīng)濟。
大工業(yè)規(guī)模操作的現(xiàn)代傳統(tǒng)的VPSA系統(tǒng)一般包括把空氣混合物加到包含分子篩吸附劑的吸附劑“床”的原料氣壓縮機。該吸附劑床在預定的吸附壓力(高壓)下從空氣混合物中選擇性地吸附氮氣。作為混合物的不易吸附的組分氧氣從吸附床通過并作為產(chǎn)品氣流從吸附床排出。一旦氮氣被吸附劑床的表面吸附，與吸附床相連接的真空系統(tǒng)就把壓力降低到低的壓力(解吸壓力)，使吸附的氣體(富氮氣)解吸，并作為廢氣(或副產(chǎn)品氣)從系統(tǒng)排出。設(shè)置于床的管件的吹洗機構(gòu)與真空系統(tǒng)合作吹洗系統(tǒng)中殘留的氮氣。氧氣通常用作吹洗氣。
比較有效的傳統(tǒng)工業(yè)規(guī)模的VPSA系統(tǒng)有兩個或兩個以上的吸附劑床，而與此有關(guān)的分離方法包括在較低壓力比(吸附壓力/解吸壓力)一般為約4∶1-5∶1和低壓(解吸壓力)為0.25-0.33大氣壓或更低的壓力下操作。在VPSA系統(tǒng)中也已經(jīng)報道以更低的壓力比如2∶1或3∶1生產(chǎn)含90％氧或更高的氧的富氧氣體，例如Leavitt的美國專利5,074,892號就進行過報道。在這樣低的壓力比的操作條件下所使用的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括通用的原料氣壓縮機、多級真空泵和一對如上述一般所述的傳統(tǒng)的吸附劑床。Leavitt專利肯定床尺寸因子，即有效分離所需要的吸附劑量，將隨壓力比的降低而增加(雖然增加得比根據(jù)本領(lǐng)域現(xiàn)狀所預料的要少)。Leavitt沒有建議提出床尺寸因子增加的任何方法，也沒有提出進一步降低運行費用的其它方法。
因此，現(xiàn)有技術(shù)(專利/科技文獻和工業(yè)實踐)都未能實現(xiàn)單獨的低壓力比，或優(yōu)選與某些方法的改進一起將允許使用簡單和更經(jīng)濟的設(shè)備，且更一般地產(chǎn)生總的費用節(jié)省在單獨的用低壓比實現(xiàn)這些之內(nèi)和之上的結(jié)果。一般來說，由于傳統(tǒng)的VPSA低壓比系統(tǒng)有兩個在較深的真空下(甚至當壓力比較低時)操作的吸附劑床，所以耗能的多級真空泵(包括兩真空級或兩真空級以上)一般是需要的或認為是要求的。這些泵通常包括按串聯(lián)關(guān)系配置的兩真空級，彼此按級間連接定位。級間連接一般包括在空轉(zhuǎn)或沒負荷運行期間，把各級的吸入氣排放到大氣的級間旁通的無負荷系統(tǒng)。該旁通系統(tǒng)又包括附加的閥和實現(xiàn)排氣的管件系統(tǒng)。因此，多級真空裝置比單級真空裝置復雜得多，操作費用更貴。
為了實現(xiàn)所希望高的氧氣回收率(通常在40％-約70％范圍內(nèi))，傳統(tǒng)的兩床VPSA系統(tǒng)也以更長的循環(huán)時間(對良好運行(well-run)、現(xiàn)代的、傳統(tǒng)的兩床系統(tǒng)來說，從40-50秒的最低值至60-90秒)操作。這反過來不僅增加了需要的吸附劑量，而且也增加了整個系統(tǒng)的排量，影響生產(chǎn)每單位產(chǎn)品的能耗。雖然可以稍微減少循環(huán)時間，但是這樣獲得的利益受限于在吸附器中更高的氣速所產(chǎn)生的值得注意的結(jié)果(甚至這種獲得的好處被排除)。更高的氣速使穿過吸附床的壓力降增加，使方法的效率更低。更高的氣速也使吸附劑“升起”，產(chǎn)生磨擦，是總費用其它的不利提供者。這些影響都提高了費用，首先違反了使用更快工藝循環(huán)的目的。特別是關(guān)于生產(chǎn)高純度氧和90-95％純度氧的日產(chǎn)量為30-200噸/日的兩床VPSA系統(tǒng)在工藝效率和進一步降低投資和/或運行費用方面仍有改進的余地。應當指出，即使總的費用(運行費用和投資費用的現(xiàn)在值)節(jié)省1-2％在高度競爭的空氣分離工業(yè)也是相當重要的。
所以，必須有一種VPSA空氣分離系統(tǒng)和方法來實現(xiàn)低的壓力比和避免使用昂貴的真空設(shè)備。但是需要有更低的運行費用，而仍然得到了有吸引力的氧回收率(例如50-60％，與60-70％相對比，與傳統(tǒng)的兩床系統(tǒng)相比，表示低了5-10回收率的百分點)，經(jīng)濟地生產(chǎn)含氧氣體。本發(fā)明的VPSA法滿足了這些需要。本發(fā)明通過單獨或組合的方式執(zhí)行各種各樣的新方法和設(shè)備的特征，從而實現(xiàn)了更低的投資費用。本發(fā)明的概述本發(fā)明的VPSA系統(tǒng)和方法，通過實行低能耗零件和改進的操作程序，以所要求的含氧產(chǎn)品氣的純度和體積經(jīng)濟地實現(xiàn)空氣的有效分離。
為了認識上述的利益和優(yōu)點，本發(fā)明的一個方面包括用于分離流體混合物各組分的VPSA系統(tǒng)。所述的系統(tǒng)包括把混合物引入系統(tǒng)并建立吸附壓力的流體源。執(zhí)行收集從混合物中分離出的流體產(chǎn)品氣，即富集的混合物第一組分的輸送設(shè)備。該系統(tǒng)還包括兩個吸附容器，每一個吸附容器包含吸附劑床，每個吸附容器設(shè)置在流體源的下游和輸送設(shè)備的上游，在吸附壓力下從混合物中選擇性地吸附第二組分，并使混合物的剩余部分通過，作為分離的流體產(chǎn)品(在空氣分離中是氧氣)到達輸送設(shè)備?；旌衔飬⒄丈鲜鑫饺萜鞯姆较騼?yōu)選徑向向內(nèi)方向流過吸附劑床。
與兩個吸附劑床的每一個連接的單級真空裝置產(chǎn)生真空，提供每個床的解吸壓力為0.3-1.0大氣壓，優(yōu)選為0.4-0.55大氣壓(淺的真空)，隨后該吸附床選擇性的吸附預定的組分。解吸壓力與吸附壓力的壓力比關(guān)系一般為2.5-4.0，優(yōu)選在2.75和3之間。每個吸附床對解吸壓力起反應，解吸第二組分(在空氣分離中是氮氣)然后從系統(tǒng)中排放。
本發(fā)明人已經(jīng)進一步發(fā)現(xiàn)，由于更多的提高解吸壓力的結(jié)果，不僅可能使用單級真空裝置，而且使真空裝置的操作更精確有效，因為有更高的解吸壓力。由于泵的排量保持恒定，所以更高的解吸壓力提高了真空泵的入口平均壓力，但是在更高的解吸壓力下更大量的氣體可以填充同一體積。
由于更高解吸壓力的結(jié)果，VPSA法以低壓力比(即高吸附壓力與低解吸壓力的比)為2.5-4.0，優(yōu)選為2.5-3.0，而更優(yōu)選為2.75和3之間進行。
這種更低的壓力比可預期地會產(chǎn)生稍微更低的產(chǎn)量氣的回收率(通常不大于5-10個百分點)(一般產(chǎn)品氣中純O2的百分率除以原料氣中純氧的百分率計算)，這就意味著加料端含的氧氣比廢氣中含的氧氣高很多。這種不良的影響可能認為是由于降低了系統(tǒng)的有效生產(chǎn)能力，或是由于提高了比能量要求(例如，每日生產(chǎn)每噸產(chǎn)品氧氣消耗的能量)。為保持相同純度的每日相同的O2產(chǎn)量(即相同的生產(chǎn)能力)，這就必須處理更多的空氣。
但是，有效生產(chǎn)能力的這種減少比通過大量的氣流通過系統(tǒng)進一步提高單級泵的效率得到的補償要多。廢氣泵吸入壓力的前述增加就降低了通過真空泵的壓力降(DpVP)，這又降低了除去每摩爾廢氣的壓頭和比功。因為真空泵是操作費用的主要提供者，所以實現(xiàn)了顯著的凈費用節(jié)省。
為了適應更高的空氣生產(chǎn)量，本發(fā)明的系統(tǒng)采用(ⅰ)徑向流吸附劑和/或容器，和(ⅱ)更短的循環(huán)時間。這允許該方法通過更高的解吸壓力保持節(jié)省費用而不使用使這種優(yōu)點減至最小或排除的更大的吸附器。
在循環(huán)中至少兩個步驟(或步驟的一部分，有時叫做子步驟)的減少循環(huán)時間。這種節(jié)省費用允許每天生產(chǎn)相同量的氧氣，而不過度地增加吸附容器和設(shè)備的尺寸，或在循環(huán)的某些部分中不適當?shù)靥岣咄ㄟ^系統(tǒng)的氣速。通過適當?shù)倪x擇吸附床容器(優(yōu)選徑向流容器)氣速甚至可以保持更低。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點從下面的詳細描述和閱讀附圖時將會更清楚。而且，本發(fā)明的應用性可延伸到含至少一種可選擇性吸附在吸附劑材料的任何流體混合物，不限于空氣分離。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明一個實施方案的兩床真空變壓吸附系統(tǒng)的示意圖；圖2-13是依次地說明本發(fā)明一個實施方案的VPSA法的方框圖；圖14是VPSA壓力比與氧氣回收率之間關(guān)系圖示的描述；和圖15是傳統(tǒng)的VPSA系統(tǒng)與本發(fā)明系統(tǒng)單位能耗之間關(guān)系的圖示的描述。發(fā)明的詳細描述VPSA系統(tǒng)對從空氣中分離氧氣提供了新穎而具較高費用競爭性的方法。該系統(tǒng)一般依靠在特定的吸附壓力從空氣中吸附氮氣和在特定低的解吸壓力從吸附床解吸氮氣的分子篩吸附劑。通過在特定的解吸壓力執(zhí)行定時的工藝步驟實現(xiàn)有效的循環(huán)，VPSA系統(tǒng)可以在接近滲透膜系統(tǒng)效率下操作。
該系統(tǒng)的PSA方法和設(shè)備可以使用任何類型的平衡選擇性吸附材料，這些材料包括但不限于A-沸石、X-沸石、Y-沸石、菱沸石、絲光沸石和它們的各種離子交換的形態(tài)，以及SiO2-Al2O3、Al2O3、SiO2、硅酸鈦、磷酸鹽和它們的混合物?？蓛?yōu)選的吸附劑包括高度交換的鋼沸石X，骨架結(jié)構(gòu)的SiO2/Al2O3比值為2.0與2.5之間，它們的AlO2四面體單元至少有88％，優(yōu)選至少95％與鋰陽離子連接。在前述中優(yōu)選SiO2/Al2O3比值盡可能選擇為2.0和盡可能高的鋰交換。
現(xiàn)在參考圖1，本發(fā)明的一個實施方案的VPSA系統(tǒng)通常用標號20表示，包括氣源22、吸附床裝置40和單級真空裝置50，以較低的壓力比和高的低壓從空氣中有效地生產(chǎn)氧氣。氣源22包括魯特型單級原料壓縮機，它有吸入空氣的入口24和通過排放岐管26直接把壓縮空氣流輸送到各自平行的入口管28和30。在各自管線頂部的各自的第一和第二壓力控制閥32和34設(shè)置各自管線頂部管件，以選擇地加壓吸附床裝置40的各自部分。排氣閥36連接到岐管26的中間部分，選擇性的旁通離開吸附床裝置的空氣流。閥門通過控制器(沒示出)按照相應于本發(fā)明方法下述的工藝步驟的定時，依次操作。
進一步參考圖1，吸附劑床單元40包括一兩吸附床系統(tǒng)，床A和B有各自的底部42和44，交替平行排列地配置各自第一和第二加壓控制閥32和34的下游。各自的頂部43和45提供包括單個產(chǎn)品氣緩沖罐66的連接產(chǎn)品氣輸送機構(gòu)60的適宜的界面。
每個吸附劑床裝入一容器，優(yōu)選徑向流型的容器中。徑向流容器是已知的，并包括氣流總的不對稱截面的擴大加料端。徑向流容器適應大的氣流范圍，在氣體流動方向上穿過床只產(chǎn)生低壓降(Dp)。徑向流容器也提供通過床形成更均勻的流體分布，且一般提供限制的吸附床和擴大的入口面積。這些容器的使用公開在共同未決、共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請08/681550號中，該專利申請全文引入本中請供參考。
真空裝置50包括與真空岐管56相連接的各自的第一和第二減壓控制閥52和54。這些閥按平行相對的關(guān)系與第一和第二壓力控制閥32和34設(shè)置管件。與加壓閥相似、減壓閥和排氣閥也通過控制器(沒示出)依次控制。按照本發(fā)明的下述方法，在預定的循環(huán)步驟中，岐管端接在低能單級魯特型真空泵58，以抽空各自的床A和B。由于在VPSA操作循環(huán)中使用較高的解吸壓力(淺真空)因此使用能量轉(zhuǎn)換的單級真空泵是可能的。
繼續(xù)參考圖1，產(chǎn)品輸送機構(gòu)60包括設(shè)置在床A和B各自的頂部43和45的頂端的各自的第一和第二產(chǎn)品氣出口閥62和64，把來自每個床的產(chǎn)品氣流(氧氣)直接輸送到吹洗另一個床、在另一個床中進行均壓、或流入緩沖罐66貯存。設(shè)置在緩沖罐和出口閥之間的隔離閥68與出口閥合作，按照控制器的程序指令完成吹洗和/或均壓步驟。
現(xiàn)在參考圖2-13，按照本發(fā)明的一個實施方案的VPSA系統(tǒng)20的操作，按照本發(fā)明的方法包括高流率把空氣混合物加入吸附裝置從空氣混合物中選擇性吸附第一組分(氮氣)，不吸附組分(氧氣或更精確地說是含氧氣體)作為產(chǎn)品氣通過床，和吸附裝置減壓從床中解吸第一組分的步驟。十分清楚，VPSA系統(tǒng)循環(huán)操作，床A和B之一進行交接循環(huán)，在一段時間內(nèi)進行相同的一組步驟，與另一個床相對比的循環(huán)內(nèi)，一個床進行相反的步驟。為簡化起見，下面只描一個床如床A完成的詳細的循環(huán)。
現(xiàn)在參考圖1和2,VPSA系統(tǒng)的操作一開始包括原料空氣吸附/氧氣平衡加壓的交接步驟，這起動了原料空氣加壓吸附的周期。打開第一壓力控制閥32和關(guān)閉第二壓力控制閥34，魯特型壓縮機22把空氣在100處加入吸附床A的底部，在該步驟的持續(xù)期間內(nèi)壓力迅速升高。來自床B的均壓氧氣，通過出口閥62和64的通道并關(guān)閉隔離閥68，在102處同時加入床A的頂部43。
參考圖3，循環(huán)繼續(xù)進行，原料氣吸附/產(chǎn)品氧氣加壓的交接步驟使原料空氣加壓的吸附周期繼續(xù)?？諝庥婶斕貕嚎s機在104處繼續(xù)加入吸附床的底部。另外，打開隔離閥68和第一出口閥62，從緩沖罐到再加壓床，在106處把O2加入床A的頂部43。因此，在該步驟期間，壓力繼續(xù)升高。
現(xiàn)在參考圖4，繼續(xù)氧氣再加壓步驟，原料空氣在108處從魯特壓縮機22進一步加入床A的底部42，不從頂部43添加或排除任何氧氣(仍然沒有產(chǎn)品氣生成)。壓力再次升高。值得注意地是，在氧氣回流存在的情況下，與早期的步驟相比，壓力升高的速率在這個步驟中較慢。
圖5和6描述了接著的兩個循環(huán)步驟，它包括恒定壓力的原料氣和產(chǎn)品氣的產(chǎn)生及回流操作。如圖5所示，原料空氣在110處繼續(xù)加入吸附器的底部42，而氧氣產(chǎn)品在112處從頂部43排除。在這些步驟期間，壓力相對保持不變。打開隔離閥68和各自的出口閥62和64，氧氣產(chǎn)品在114處從床A輸送到(ⅰ)氧氣緩沖罐66，和(ⅱ)在116處作為氧氣吹洗氣輸送到床B的頂部45。
在產(chǎn)品氣的生產(chǎn)循環(huán)步驟中，氧氣產(chǎn)品的純度基本上保持恒定。這是因為在114處(圖5)的氧氣生產(chǎn)步驟前，在106處(圖3)的氧氣再加壓步驟把高純度的氧氣加入床A的頂部42，排除了在操作開始時任何氧氣純度的高峰值的緣故。產(chǎn)品氣的生產(chǎn)步驟在118處(圖6)繼續(xù)進行，在氮氣的吸附帶前緣實際地穿透床的頂部前，終止產(chǎn)品氣生產(chǎn)步驟?，F(xiàn)在參考圖7，循環(huán)繼續(xù)進行，在床A頂部42處的降壓均壓步驟中的殘留壓力和氧氣產(chǎn)品被排除并在120處加入床B的頂部42。從該床的底部沒有物流排除。容器壓力進一步降低。如果產(chǎn)品氣的純度定為90％，那么在項部處氮氣吸附帶前緣穿透時，在這個步驟結(jié)束時氧氣濃度下降到約60-80％，一般為70％氧氣。通過打開排氣閥36，魯特型原料空氣壓縮機排氣。
在120和122處(圖7)的降壓均壓步驟后面有如圖8所描述的降壓排空和交接的均壓步驟。本申請所使用的“交接”的意思是另一操作的全部或部分同時進行。打開各自的第一和第二減壓閥52和54，通過單級魯特型真空泵58，在124處從吸附器底部解吸并排除廢氮氣。在這個步驟期間，壓力下降。氮氣廢氣的氧氣濃度開始在為約空氣的純度，并迅速地降落到最小廢氣純度為約2-10％。接著前述步驟，在126處氧氣的均壓物流繼續(xù)從床A的頂部43排除，并輸送到床B的頂部45。
如圖9-11所示，循環(huán)繼續(xù)，連續(xù)的降壓排空步驟中，廢氣氮氣通過單級魯特型真空泵58在128處從床A的底部42進一步排除。在這個步驟中壓力下降。沒有氣體從吸附器的頂部流入或排出。
現(xiàn)在參考圖12，降壓抽空步驟后面有恒壓排空和氧氣吹洗步驟。循環(huán)在此時，由于A床在130處繼續(xù)排空，已經(jīng)達到最小的排空壓力，并自在132處從B床把氧氣吹洗氣加入A床的頂部43。在這個步驟期間，由于吹洗氣流與排空氣流的配合，所以壓力保持恒定。此外，廢氣流的氧含保持較穩(wěn)定。
現(xiàn)在參考圖13，在升壓排空和均壓的交接步驟中，循環(huán)達到極點，單級魯特型真空泵在134處從床A的底部42繼續(xù)除去廢氣，而氧氣均壓氣在136處從床B加入吸附器頂部45。在這個步驟中，由于氧氣均壓氣流的結(jié)果，壓力上升，在此期間高于排空氣流的壓力。在這個步驟結(jié)束時，由于氧氣(純的)的吸附帶前緣在吸附器的底部開始穿透，因此廢氣流中的氧氣濃度開始稍微升高。
下面的表1不僅表示上述每一步驟的實際步驟時間和本發(fā)明所希望方案中所采用的實際步驟時間，而且是每一工藝步驟開始和結(jié)束的平均壓力，上面提供的是概括情況。在高吸附壓力和低解吸壓力之間的中間壓力值本文中有時指較低(或較高)的中間升壓(或降壓)壓力。
表1包含的值代表兩床的VPSA系統(tǒng)，生產(chǎn)能力為30-200噸/日，采用高鋰交換的沸石X吸附劑，所生產(chǎn)的含氧氣體含88-95％O2，且達到了介于50和70％之間的氧氣回收率。所采用的循環(huán)被稱為產(chǎn)品氣加壓與吹洗和交接均壓。
表1步驟描述 步驟時間 開始壓力終止壓力步驟#1(圖2)原料氣升壓與均壓交接2.0 8.85 13.8步驟#2(圖3)原料氣升壓與產(chǎn)品氣加壓交接3.0 13.8 18.2步驟#3(圖4)原料氣升壓 3.0 18.2 20.8步驟#4(圖5)原料氣恒壓與產(chǎn)品氣生產(chǎn) 1.0 20.8 20.8步驟#5(圖6)原料氣恒壓與產(chǎn)品氣生產(chǎn)/吹洗 2.5 20.8 20.9步驟#6(圖7)降壓均壓1.5 20.9 17.7********1/2循環(huán)********步驟#7(圖8)降壓排空與均壓交接 2.0 17.7 12.3步驟#8＆#9&#10(圖8-10)降壓排空7.0 12.3 7.45步驟#11(圖11)恒壓排空與O2吹洗 2.57.457.45步驟#12(圖12)升壓排空與均壓交接 1.57.458.85表中的壓力是在吸附器頂部處測量，且為兩床的平均值。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的VPSA系統(tǒng)和方法在2.5-4.0，或優(yōu)選2.5-3.0和更優(yōu)選2.75-3.0的較低的操作壓力比范圍內(nèi)操作，產(chǎn)生了從處理空氣獲得較低的氧氣回收率的結(jié)果。圖14圖示地描述了較低的壓力比對氧氣回收率預期和(定性地)觀測的影響。應當指出，解吸壓力值是重要的，因為高解吸壓力通過使用本發(fā)明的單級真空泵可能降低有關(guān)的設(shè)備(更簡單)和操作(更有效)費用。由于高解吸壓力的結(jié)果，壓力比將降低到傳統(tǒng)實踐中(兩床軸向流VPSA，使用多級真空泵生產(chǎn)相同量和相同純度的O2，在最佳的裝置能量費用時，達到了最佳的O2收率值為，60-70％)被認為是亞最佳的值。
這種更低氧氣回收率的傳統(tǒng)預期結(jié)果將降低裝置的生產(chǎn)能力和提高比能量或能耗。但是，與這種預期相反，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)未預見到的優(yōu)點，雖然氧氣回收率的確稍微降低(與傳統(tǒng)的氧氣回收率相比，降低約5-10個百分點)，但是由于真空泵的質(zhì)量流量大大增加而不增加在汽缸中的排量就可使廢氣真空泵的平均吸入壓力實質(zhì)性地提高。真空泵的更高吸入壓力也相當于通過真空泵的壓力差的減少，這就降低了除去每摩爾廢氣的壓頭和比功。這些影響比降低氧氣回收率的經(jīng)濟利益更大。實際上，如果能量需求減至最小的話(通過使用分析的方法如圖14和15所示)，那么平均能耗和真空泵的生產(chǎn)力都可以減少。
如圖15所示，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)的循環(huán)裝置能耗比傳統(tǒng)的壓力比循環(huán)要低。受試設(shè)備和吸附劑的最低能耗在解吸壓力在0.4-0.55大氣壓范圍內(nèi)，吸附壓力在1-2大氣壓范圍內(nèi)，優(yōu)選1.3-1.6大氣壓范圍內(nèi)，產(chǎn)生的壓力比為約2.75-3.0范圍內(nèi)時得到了實現(xiàn)。
如前所述，節(jié)約費用可提供低單位能，但是由于更低的產(chǎn)品氣回收率產(chǎn)生的其它問題使節(jié)約費用發(fā)生了問題(或喪失)，這些問題是如果輕視更低回收率，那么產(chǎn)品氣純度和產(chǎn)量就持久相同，更大量的氣體必須通過系統(tǒng)(的確，這通常是氧氣需求和氧氣純度恒定的工業(yè)應用中的情況)。這可通過增加VPSA系統(tǒng)的尺寸(這將增加投資費用，因此失去節(jié)約費用的目的)，或通過減少循環(huán)時間來進行。確實，本發(fā)明人減少了循環(huán)使用真空泵的那些步驟或子步驟的持續(xù)時間，(當真空泵處理廢氣時，需要抽空床A或B)。上表的術(shù)語中，是步驟4、5和6及步驟8-12。十分清楚，通過減少兩床系統(tǒng)的至少兩個前述步驟的時間，可以實現(xiàn)循環(huán)時間的減少。在循環(huán)的加壓部分期間，如果減少一個步驟的持續(xù)時間，那么在減壓過程中相應的步驟也必須減少持續(xù)時間(例如步驟5和11)。
如在
背景技術(shù)：
中所解釋的那樣，循環(huán)時間的有限減少只在不引起附加的影響，即提高吸附劑床的壓力降，增加吸附劑的磨損和通過吸附床產(chǎn)生不均分布的氣流時可以實現(xiàn)，否則只有再增加吸附床的尺寸。就這些出現(xiàn)的方面來說，他們提議通過使用允許低氣速的吸附床和吸附容器，例如按Ergun相互關(guān)系低于流化速度操作徑向流吸附容器。此外，吸附劑床可以限制。總之，本發(fā)明包括，如果使用單級真空泵，優(yōu)選與徑向流吸附床容器相組合，即使氧氣的回收率將降低，但是解吸壓力仍可相當大的提高。然后，該方法可以在相同的氧氣產(chǎn)量和純度，但是使用兩級真空泵和軸向流吸附容器的傳統(tǒng)的兩床系統(tǒng)最佳化更低的操作費用和相同或更低的投資費用下按相同的產(chǎn)品氣產(chǎn)量和純度最佳化。再次指出，與前述的傳統(tǒng)的兩床系統(tǒng)相比本發(fā)明可能得到較低的氧氣回收率(不高于5-10個百分點或更低)。但是，本發(fā)明的VPSA系統(tǒng)不必求助于更大的吸附容器，(如果需要)可以使用和傳統(tǒng)系統(tǒng)的軸向床相同量(或更少)的吸附劑的徑向流吸附容器代替，這是為了進行比較的。
上述系統(tǒng)和方法的幾種改進是可預見的，這仍然基本維持本發(fā)明所希望費用的優(yōu)點。例如，表1的循環(huán)可以改成沒有O2吹洗步驟的操作，有效地排除圖6和12的操作。這樣的一種改進將會適當?shù)慕档托屎彤a(chǎn)生相應的適當?shù)目傎M用(操作費用和投資費用的和)。因此，優(yōu)選使用O2吹洗步驟。但是，如果省略O(shè)2吹洗，方法的費用仍然低于按傳統(tǒng)壓力比操作，或采用多級壓縮機或軸向流吸附容器或它們的任意組合的相同方法(沒有O2吹洗)的。
生產(chǎn)O2的另一種供選擇的方法，是在原料氣升壓和吸附步驟期間，與圖4和6所示的步驟有效地組合在一起。這種方案排除了預先考慮到引起裝置投資費用適當?shù)脑黾樱@是由于為了以相同純度相同的O2的日產(chǎn)量生產(chǎn)，系統(tǒng)必將處理更多的空氣。
本發(fā)明進一步可能的改進包括排除在圖2和7中示出的原料氣均壓的交接步驟。這樣會減少魯特型壓縮機的負載時間，而仍然允許完成吸附容器的壓力平衡。為了實現(xiàn)這一改進，圖7和13描述的步驟持續(xù)時間將必須增加。這種改進將適當增加裝置的投資費用。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將估計到，本發(fā)明的方法提供許多好處和優(yōu)點，總體來說，有助于降低VPSA法中所使用的能量，而不增加投資費用。通過降低能耗，執(zhí)行低能的硬件和有效的操作步驟，通過提高效率，重要的操作費用將減至最少。但是與現(xiàn)有技術(shù)的方法不同，這些節(jié)約費用不會被更高的操作費用所抵消。
在所有的VPSA系統(tǒng)中能耗的主要來源之一是真空泵。由于利用較高的低壓執(zhí)行循環(huán)，單級真空泵就可以使用，而不是傳統(tǒng)地利用兩級真空泵。由于高的低壓顯著地降低了VPSA系統(tǒng)的能耗，所以真空裝置的一級排除了。
但是，雖然使用較低壓力比通常會降低VPSA系統(tǒng)的氧氣回收率，但是通過增加壓縮機的加入物料流量和執(zhí)行限制吸附劑床，如徑向流容器降低入口的加料速度，就可以完全排除低壓比的不利影響。優(yōu)選的供選擇特征包括除了單級真空泵外，使用單級壓縮機。
最后，本發(fā)明可以使用不冷卻的真空泵如RAS-J Whispair，購自Dresser Industries,Connorville,IN。術(shù)語“不冷卻真空泵”，我們意指真空泵既不用外面的裝置冷卻，也不能用外面裝置冷卻。這是因為更高的解吸壓力，和解吸所要求的時間相結(jié)合，不會產(chǎn)生泵熱到它的溫度容限被破壞的那一點。
雖然本發(fā)明參考本發(fā)明的優(yōu)選方案進行具體地顯示和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員十分清楚，本發(fā)明在形式上，和細節(jié)方面可以進行各種各樣的改進，都不離開本發(fā)明的范圍和精神。
Baksh等的美國專利5,518,526號和LaSala的美國專利5,370,728號和Applns的美國專利申請?zhí)?8/611942和08/681550號的全部內(nèi)容引入本申請供參考，但是發(fā)生矛盾時，以本發(fā)明公開的內(nèi)容為準。
權(quán)利要求
1．一種真空變壓吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于分離流體混合物諸組分和產(chǎn)生富集所述混合物第一組分的流體產(chǎn)品，而且是按預定的純度和生產(chǎn)率生產(chǎn)的，所述的系統(tǒng)包括(a)把所述混合物引入到所述系統(tǒng)并建立吸附壓力的流體源；(b)收集從所述混合物分離的流體產(chǎn)品的輸送裝置；(c)兩個吸附容器，每個包括吸附床，所述的每個床按平行交接關(guān)系設(shè)置在所述流體源的下游和上述輸送裝置的上游，在上述的吸附壓力下選擇性的吸附所述混合物中的第二組分，且使所述混合物中的剩余組分作為所述流體產(chǎn)品通過所述輸送裝置；和(d)一單級真空裝置，它連接上述每一個吸附床用于產(chǎn)生為0.3-1.0大氣壓范圍內(nèi)的解吸壓力，和接著解吸吸附在所述床上的第二組分，所述的解吸壓力與所述吸附壓力的壓力比關(guān)系為2.5-4.0的范圍，上述的每個床對所述的解吸壓力作出反應，解吸所述的第二組分，并從系統(tǒng)中釋出所述的組分。
2．權(quán)利要求1的真空變壓吸附系統(tǒng)，其中所述流體源包括單級魯特型空氣壓縮機。
3．權(quán)利要求1的真空變壓吸附系統(tǒng)，其中所述混合物包括空氣，所述產(chǎn)品包括純度為88-95％的氧氣。
4．權(quán)利要求1的真空變壓吸附系統(tǒng)，其中所述的每一個吸附床容器包括至少一個徑向流吸附床。
5．權(quán)利要求1的真空變壓吸附系統(tǒng)，其中所述真空裝置包括單級魯特型真空泵。
6．權(quán)利要求2或5的真空變壓吸附系統(tǒng)，其中所述壓縮機不用外面裝置冷卻。
7．兩床真空變壓吸附方法，以把流體混合物分離成各自的第一和第二組分，按給定生產(chǎn)率和純度生產(chǎn)富集所述第一組分的產(chǎn)品，該方法包括如下步驟(a)把所述混合物加入到所述吸附床，所述床是徑向流床，在一流率下加壓所述床達預定高的吸附壓力，所述一個床在預定吸附壓力下選擇性地吸附第二組分；(b)用所述吸附床從所述混合物吸附所述第二組分；(c)所述的不被吸附的第一組分作為產(chǎn)品物流通過所述系統(tǒng)；(d)所述吸附床減壓到解吸壓力，以從所述床解吸所述第一組分；(e)改進之處包括如下步驟(ⅰ)通過使用單級真空泵裝置，實現(xiàn)解吸壓力為0.4-1.0大氣壓范圍內(nèi)，從而提供吸附壓力與解吸壓力比為2.5-4.0范圍，和這造成所述第一組分的回收率比包括多級真空裝置和兩個軸向流床的兩床真空變壓吸附系統(tǒng)達到的回收率低5-10個百分點；但可按最佳的裝置能耗操作，以生產(chǎn)相同產(chǎn)品產(chǎn)量和純度的產(chǎn)品；和(ⅱ)減少所述步驟(a)-(d)中的兩個步驟的至少部分持續(xù)時間，從而保持上述產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度，盡管回收率有所降低，同時達到與所述系統(tǒng)相比降低了費用。
8．權(quán)利要求7的真空變壓吸附方法，其中進一步的改進包括加料步驟，所述加料步驟包括在約2秒鐘內(nèi)，逐漸地把所述吸附床從約8.85 PSIA加壓到約13.8 PSIA；在所述吸附床內(nèi)在約3秒內(nèi)從約13.8 PSIA升壓到18.2PSIA；和在所述的吸附床內(nèi)在約3秒內(nèi)從18.2 PSIA增壓到約20.8PSIA，接著終止所述升壓步驟。
9．權(quán)利要求8的真空變壓吸附方法，其中所述加料步驟進一步包括用氣體均壓上述吸附床的步驟，均壓步驟與所述加壓步驟交接。
10．權(quán)利要求8的真空變壓吸附法，其中吸附步驟包括在預定的期間內(nèi)，保持所述吸附床的壓力相對穩(wěn)定。
全文摘要
一種從流體混合物中分離一種組分的真空變壓吸附(VPSA)系統(tǒng)和方法,包括把混合物加入系統(tǒng)的流釋源和收集分離組分的輸送裝置。一對吸附床容器置于流體源和輸送裝置之間,在各自的吸附和解吸壓力下,吸附和解吸預定的組分,其特征是低的壓力比和較高的解吸壓力。通過使用高解吸壓力,就可以使用單級真空泵裝置,其結(jié)果進一步降低設(shè)備費用和操作費用。
文檔編號B01D53/04GK1216719SQ9812373
公開日1999年5月19日 申請日期1998年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月4日
發(fā)明者J·斯莫拉雷克, J·H·法斯鮑, H·R·肖布, M·K·羅甘 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司