專利名稱:氣體濃縮方法和裝置的制作方法
本發(fā)明涉及的是一種通過(guò)吸附對(duì)氣體進(jìn)行濃縮方法和一種相應(yīng)的氣體濃縮裝置;尤其是用于通過(guò)吸附作用從空氣中分離出氧(氣)的方法和裝置。
當(dāng)前，在工業(yè)上制造氧(氣)的方法主要有兩種一是蒸餾法，二是吸附法。
目前，最主要的方法是在高壓(一般為20-30Mpa)和低溫情況下進(jìn)行的蒸餾，借此即可把空氣中的不同組分(氮、氧、氬等)即作為相互分開(kāi)的壓縮液體蒸餾出來(lái)。
用被稱之為選擇性吸附的方法也可以將氧從空氣中分離出來(lái)，該方法的依據(jù)是，某些材料，例如天然沸石或合成沸石，具有多孔性，理論上的孔隙大小為4
，而空氣中的分子(例如氧分子)的分子大小為3.8
，因此這些材料能夠按不同的方式通過(guò)物理粘附將空氣中的不同分子吸附在其孔隙內(nèi)。
這種類型的吸附過(guò)程通常是通過(guò)所謂壓力擺動(dòng)吸附法(PSA)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用PSA方法時(shí)通過(guò)讓再生氣流穿過(guò)吸附材料使每一個(gè)吸附階段之后該吸附材料仍舊有效，上述的再生氣流的流動(dòng)方向和要被吸附的供料氣流的流動(dòng)方向相反。
一般來(lái)說(shuō)，PSA設(shè)備包括兩個(gè)貯氣罐，因此，在一個(gè)罐用于分離氧時(shí)另一個(gè)罐則用于再生。在美國(guó)專利4194890和4263018，英國(guó)專利2109266，芬蘭專利申請(qǐng)843014中已經(jīng)描述過(guò)與此吸附過(guò)程有關(guān)的設(shè)備。
水蒸汽可顯著降低沸石吸附氧分子的能力，因此，在聯(lián)邦德國(guó)專利申請(qǐng)1265144和1259857，歐洲專利申請(qǐng)123911和128545中已經(jīng)建議在吸附階段之前使用干燥器。
上述這些氣體分離方法具有許多缺點(diǎn)。蒸餾設(shè)備龐大復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為是與蒸餾法有關(guān)的主要缺點(diǎn)，因此蒸餾設(shè)備從開(kāi)始就異常昂貴。此外，由于運(yùn)輸問(wèn)題，氣體的分配問(wèn)題變得復(fù)雜而特別昂貴，因?yàn)楸M管通常的工作壓力大約為500Kpa左右，但為了運(yùn)輸必須將氣體壓縮并保持在大約為20Mpa的高壓下。氣體的壓縮需要大量的能量，這樣就提高了氣體的生產(chǎn)成本。有關(guān)的另一些缺點(diǎn)就是，由于高壓并且由于氣體可能從壓力罐中泄漏，所以隨時(shí)存在爆炸和著火的潛在危險(xiǎn)。
眼下，生產(chǎn)上使用吸附設(shè)備還極少。直到最近投入使用的吸附設(shè)備的主要缺點(diǎn)是可獲得的氧氣含量不夠大。用目前已知的設(shè)備可得的氧氣量約為60%，最高為80%。但這樣的氧氣含量水平對(duì)諸如醫(yī)用或火焰切割等場(chǎng)合是完全不夠用的，在這些場(chǎng)合的氧氣含量必須超過(guò)90%。
另一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是PSA過(guò)程要求的調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)很復(fù)雜。在已知的裝置中，所用的設(shè)備主要是微處理機(jī)控制的、電或磁操作的功能元件(如電磁閥)，但這些元件都不適宜于在諸如海上魚(yú)加工廠這樣的潮濕和/或寒冷條件下使用。
本發(fā)明的主要目的在于消除與已有的分離方法有關(guān)的缺點(diǎn)和不足，并且實(shí)現(xiàn)一種新型的吸附設(shè)備用于氣體濃縮，尤其是從空氣中生產(chǎn)氧。
使用本發(fā)明的方法和裝置就能夠達(dá)到這些目的。在所附的權(quán)利要求
書(shū)中提到了本發(fā)明的各個(gè)不同的特征。
本發(fā)明的基礎(chǔ)在于這樣的基本認(rèn)識(shí)，即該設(shè)備作為一個(gè)組合要包括將空氣壓縮并加入到該設(shè)備的部件，干燥供給的壓縮空氣的第一吸附部件，把優(yōu)選的氣體組分從送入空氣中分離出來(lái)的第二吸附部件;另外氣流以及設(shè)備的不同部分均由氣動(dòng)元件控制和調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)裝置能夠在所有的環(huán)境中，因此也能在潮濕和寒冷條件下準(zhǔn)確可靠地工作，這就有助于使用氣動(dòng)的邏輯和氣動(dòng)的元件，并且，通過(guò)使用本裝置可以獲得的氧氣含量比通過(guò)使用已有技術(shù)的裝置得到的大得多。
在這一方面有理由強(qiáng)調(diào)，在使用氣動(dòng)的這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)意指純氣動(dòng)操作的那些元件。因此，動(dòng)力源可以只是壓縮空氣，控制和調(diào)節(jié)部件不包括任何形式的電器元件。這也和所說(shuō)的邏輯，即控制系統(tǒng)有關(guān)，控制系統(tǒng)的元件包括用壓縮空氣操縱的機(jī)械時(shí)鐘裝置和存貯器。
按照本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，控制系統(tǒng)具有集成的結(jié)構(gòu)，其元件中的較大部分被安排在一塊被封閉在一個(gè)密封盒內(nèi)的線路板上。通過(guò)在控制系統(tǒng)內(nèi)使用混合線路板工藝可以得到的好處是可以制造出幾百萬(wàn)個(gè)接頭并可以得到很長(zhǎng)的工作壽命。由這種解決方式得到的好處是，控制系統(tǒng)不受潮濕和寒冷的影響。此外，對(duì)氣動(dòng)軟管的要求降低了。另外可以肯定，氣動(dòng)裝置的使用不會(huì)引起任何可能產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)并且也勿需使用電力，故使用這種設(shè)備是很安全的。
按照本發(fā)明的優(yōu)選方式，供給的壓縮空氣是由雙罐吸附干燥器干燥過(guò)的。因而設(shè)備的工作情況，尤其是在潮濕的條件下，同較早的已知解決方案相比得到了根本的改善。
為了可靠地分離出優(yōu)選的氣體組分，尤其是為了從空氣中分離出氧，可以用不同的吸附材料，例如硅膠，特別是合成的或天然的沸石。在天然沸石中可作為例子提出來(lái)的是絲光沸石和絲光沸石/斜發(fā)沸石。合適的合成物例如是A型和X型鈉沸石，如5A和13X。在帶有鋁或鈉離子的沸石分子結(jié)構(gòu)中也可能出現(xiàn)其它的金屬離子，如鎵離子或鍶離子。
同已有技術(shù)的解決方案相比，本發(fā)明的最突出的優(yōu)點(diǎn)如下1，和蒸餾法相比-氧氣的價(jià)格更便宜些(取決于純度)，甚至于降低到當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格的1/5-1/10;
-可以避免氧氣在壓力瓶中的運(yùn)輸，-可以避免將氧氣壓縮到很高的壓力;
2，同已有技術(shù)的吸附法相比-可以得到更高的優(yōu)選氣體，尤其是氧氣的含量或純度(超過(guò)90%甚至高達(dá)98%)，-較高的產(chǎn)額在輸入的壓縮空氣為1×10-9米3/分時(shí)的氧氣產(chǎn)額為1×10-9米3/小時(shí)，(或者為92%理論氧氣量的8%)，以及在輸入的壓縮空氣為1×10-9米3/分時(shí)的氧氣產(chǎn)額為2×10-9米3/時(shí)(或者為87%理論氧氣量的16%)。
上述之優(yōu)越特性的數(shù)值全都是在該裝置供料空氣流的上游方向使用了雙罐吸附干燥器的情況下得到的。干燥器增加大約10%的空氣消耗，這就說(shuō)明在產(chǎn)額可能增加50%同時(shí)純度水平又有很大提高的情況下生產(chǎn)的成本略有增加。為了提高可供使用的可能性，在該裝置的輸出端裝配有一個(gè)三通閥，這個(gè)三通閥的作用是為雙壓力的進(jìn)一步處理單元提供一個(gè)輸入設(shè)備，該單元或可在白天在低壓狀態(tài)下使用，或可在夜里提高壓力的情況下使用;為需要大量消耗氧氣的壓力瓶充氣。
在用本發(fā)明的氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行的試驗(yàn)中證實(shí)了，在寒冷的海洋氣候中能進(jìn)行正常無(wú)誤的運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證機(jī)械耐用性，在本發(fā)明的設(shè)備中廣泛地使用了不銹鋼材料。
下面參照附圖，借助于本發(fā)明最佳實(shí)施方案的各個(gè)實(shí)例來(lái)描述本發(fā)明，在這些附圖中圖1表示的是從空氣中分離氧的氣體濃縮裝置的第一個(gè)最佳實(shí)施例的總體安排;
圖2是所說(shuō)的第一最佳實(shí)施例的氣動(dòng)閥的邏輯關(guān)系圖;
圖3表示的是所說(shuō)第一最佳實(shí)施例的氣動(dòng)閥的線路圖;
圖4表示的是從空氣中分離氧的氣體濃縮裝置的第二個(gè)最佳實(shí)施例的總體安排;
圖5是所說(shuō)的第二最佳實(shí)施例的氣動(dòng)閥的邏輯關(guān)系圖;
圖6表示的是所說(shuō)的第二最佳實(shí)施例的氣動(dòng)閥的線路圖;
圖7表示的是用于提高生產(chǎn)出來(lái)的氧氣的壓力的設(shè)備。
由圖1和圖4可知，壓縮機(jī)1從普通的空氣環(huán)境吸取空氣并且在單位時(shí)間里以一定的壓力(一般700-750Kpa)供給一定的空氣量(＝100%)。然后將這種空氣引導(dǎo)至后續(xù)冷卻器2，冷卻器2也可以包括在壓縮機(jī)1內(nèi)。由于空氣中的濕氣開(kāi)始冷凝，所以該冷凝器被接到冷凝水排放管上。在此之后，將空氣引導(dǎo)至壓力容器4內(nèi)，壓力容器4的尺寸由壓縮機(jī)1的規(guī)格和型號(hào)決定。
由于空氣的繼續(xù)冷卻，所以空氣在壓力容器4內(nèi)還需要繼續(xù)冷凝，所以要設(shè)置第二個(gè)冷凝水排放管5來(lái)保證壓力容器4的正確無(wú)誤的工作。引導(dǎo)來(lái)自壓力容器4的空氣穿過(guò)預(yù)過(guò)濾器6以除去水滴，并穿過(guò)精密過(guò)濾器7以除去空氣中的油然后至雙罐型濕氣吸附干燥器14，15。預(yù)過(guò)濾器6和精密過(guò)濾器7相應(yīng)地設(shè)置有冷凝水排放管8和油排放管9。如果壓縮機(jī)1是無(wú)油的，就可以不為本裝置設(shè)置精密過(guò)濾器7和排油管。如果該壓縮機(jī)是由油潤(rùn)滑的，將油從準(zhǔn)備要引入干燥器14，15的空氣中分離出來(lái)就非常重要了，因?yàn)槿绻層屯ㄟ^(guò)干燥器14，15，濕氣吸附材料的效率就要變劣，它的使用壽命也要大大降低。
如上所述的被凈化了的空氣又借助于和一個(gè)或另一個(gè)罐14，15相對(duì)應(yīng)的第一主閥10和第二主閥11被引導(dǎo)至干燥器以便產(chǎn)生露點(diǎn)為-40左右的供料空氣，罐14和15都填滿濕氣吸附材料，如硅膠，或者都裝有一個(gè)分子篩。主閥10和11都由以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的可編程序自動(dòng)化裝置27控制，自動(dòng)化裝置27按本發(fā)明由氣動(dòng)邏輯構(gòu)成。如果第一個(gè)罐(或塔)14處于干燥階段，則第一主閥10保持打開(kāi)狀態(tài)，而與第二個(gè)罐15相連的第二主閥11被關(guān)閉。在第一個(gè)罐14的吸附階段期間，第二個(gè)罐15處于再生階段，在再生階段期間，聚集在第二個(gè)罐15中的濕氣被除去。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)罐14處于濕氣吸附階段，連接到第一個(gè)罐14的再生閥12保持關(guān)閉狀態(tài)，而連接到第二個(gè)罐15的再生閥13被打開(kāi)。為了避免噪音影響，最好將再生閥12和再生閥13分別通過(guò)消音器17和16再通至大氣。
干燥空氣從第一個(gè)罐14出來(lái)時(shí)，通過(guò)單向閥20抵達(dá)過(guò)濾器24，這是因?yàn)閱蜗蜷y18和21處于逆向止流方向。干燥空氣從第二個(gè)罐15出來(lái)時(shí)，干燥的空氣也流到過(guò)濾器24，但是是通過(guò)單向閥21流過(guò)去的，這是因?yàn)閱蜗蜷y19和20處于逆向止流方向。所說(shuō)的干燥空氣流依次由罐14和15流向該過(guò)濾器24，因而一個(gè)罐處于濕氣吸附階段而另一個(gè)罐處于再生階段。用于對(duì)另一個(gè)罐進(jìn)行再生的干燥空氣占干燥空氣中的一小部分，在非加熱型干燥器中最好為10-12%，而在利用加熱的干燥器中最好為2-4%。干燥空氣的這一數(shù)量用節(jié)流閥23來(lái)調(diào)節(jié)并且是從主干燥空氣流中通過(guò)過(guò)濾器22而取出的。
如果罐15處于再生階段，因?yàn)楣?jié)流閥23降低了壓力，并且在單向閥19之后這一壓力約為700Kpa。所以干燥空氣從節(jié)流閥23穿過(guò)單向閥19，然后再生空氣進(jìn)入罐15，這是因?yàn)樵陂y21之后這一壓力約為700Kpa并且因?yàn)榱硪环较蜓b在罐15底部的外流閥13是打開(kāi)的而主閥11是關(guān)閉的。因此，再生空氣就沖洗了罐15，其流動(dòng)的方向與在罐14中產(chǎn)生的吸附氣流方向相反。在再生階段，對(duì)通過(guò)外流閥13和消聲器16的大氣不發(fā)生冷凝作用。
處在吸附階段罐中的壓力較高并且基本上保持不變(例如700Kpa)，處在再生階段罐中的壓力逐漸降低(例如從700Kpa減到大氣壓)。在干燥階段于罐14內(nèi)開(kāi)始之后的一預(yù)定時(shí)間，最好是9分鐘之后，關(guān)閉閥13禁止罐15的氣體外流，因此罐15開(kāi)始加壓。當(dāng)兩個(gè)罐達(dá)到相同壓力時(shí)，主閥10和11的調(diào)整位置改變過(guò)來(lái)，即閥10關(guān)閉，閥11打開(kāi)。來(lái)自壓縮機(jī)1的空氣開(kāi)始通過(guò)罐15流動(dòng)。某一時(shí)間之后，最好是9秒鐘之后，外流閥12打開(kāi)，借此罐14內(nèi)的壓力開(kāi)始下降，再生階段就可能開(kāi)始。通過(guò)交替地操縱罐14和15可使空氣的干燥得以連續(xù)。
過(guò)濾器24的作用是從干燥空氣中除去所有進(jìn)入到干燥空氣中的塵埃等。在過(guò)濾器24之后，供料空氣的壓力由降壓?jiǎn)卧?5降低到一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，這個(gè)數(shù)值最好是500Kpa左右。然后，供料空氣流在罐26內(nèi)被均衡。
本發(fā)明的第一個(gè)最佳實(shí)施例中，供料空氣在罐26之后被引入到雙罐氣體吸附單元34′，35以便對(duì)供料空氣進(jìn)行連續(xù)氧氣分離。氣體吸附單元流入頭的結(jié)構(gòu)和雙罐濕氣吸附單元的流入頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。閥28和29是交替地允許供料空氣進(jìn)入第一個(gè)罐34′或第二個(gè)罐35的主閥，這兩個(gè)罐34′和35是相同的。對(duì)應(yīng)地，由外流閥30和31來(lái)調(diào)節(jié)自罐34′和35排出的富氮廢氣流。
讓我們假定，第一個(gè)罐34′處于吸附階段，則主閥28和外流閥31保持打開(kāi)狀態(tài)而主閥29和外流閥30關(guān)閉，由此，供料空氣流入罐34′。按照本發(fā)明要選擇吸附材料使氧氣的貫穿該材料的流動(dòng)比氮的流動(dòng)更快些。如前所述，合適的材料是天然沸石和合成沸石，它們的孔隙尺寸不超過(guò)4
。在出口處，當(dāng)閥打開(kāi)時(shí)由于單向閥40，39處于逆向止流狀態(tài)，因此氧氣能穿過(guò)單向閥38流到過(guò)濾器42。在此之后，富氧氣體的流動(dòng)由節(jié)流閥44調(diào)節(jié)，富氧的氣體被貯存在罐45內(nèi)。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)罐34′正在產(chǎn)生氧氣時(shí)，即當(dāng)閥36處于打開(kāi)狀態(tài)并保持10到30秒之間的某一時(shí)間，最好保持約15秒鐘的時(shí)間，第二個(gè)罐35的主閥31從氧氣產(chǎn)生開(kāi)始，也被打開(kāi)一段時(shí)間，典型時(shí)間數(shù)值為5至10秒，最佳時(shí)間為8秒左右，借此，就允許富氧氣體在閥36之后穿過(guò)安全減壓閥41流入第二個(gè)罐35并且從罐35開(kāi)始又穿過(guò)外流閥31和消聲器33通到大氣，這樣就從第二個(gè)罐35分離并沖刷出富氮?dú)怏w。當(dāng)然，通過(guò)消聲器33消耗掉的富氧氣體是非常小的。
在所定的時(shí)間結(jié)束時(shí)，對(duì)于分離富氮?dú)怏w而言這一時(shí)間如圖2所示，在15至30秒之間，最好24秒，外流閥31關(guān)閉，由此即開(kāi)始即結(jié)束了從第二個(gè)罐35的向外排送并且開(kāi)始對(duì)富氧氣體加壓。典型的加壓時(shí)間在5至10秒之間，最好約為7秒，在此時(shí)間之后通過(guò)關(guān)閉閥36中斷了在第一個(gè)罐34′內(nèi)氧氣的產(chǎn)生，與此同時(shí)通過(guò)打開(kāi)主閥29并關(guān)閉主閥28將罐34′和35的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。然后第二個(gè)罐35對(duì)通過(guò)主閥29流入的供料空氣加壓。
在此之后，典型的情況是在大約11秒之后，外流閥30打開(kāi)，因此第一個(gè)罐34′開(kāi)始通過(guò)消聲器32向大氣排空，從第一個(gè)罐34′將富氮的氣體排去。通常在打開(kāi)主閥29以后大約16秒時(shí)，第二個(gè)罐35內(nèi)的壓力已經(jīng)達(dá)到其最大值，其最佳數(shù)值約為500Kpa，并且與此同時(shí)第一個(gè)罐34′已經(jīng)排空以便重新增壓。
閥37然后打開(kāi)，借此第二個(gè)罐35即可以開(kāi)始生產(chǎn)氧氣。在氧氣生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，最好為8秒左右，外流閥30保持打開(kāi)狀態(tài)，由此使第一個(gè)罐34′處于再生階段。此后外流閥30關(guān)閉，在此之后第一個(gè)罐34′開(kāi)始按以上所述的方式工作。一次循環(huán)的時(shí)間，即從在一個(gè)罐內(nèi)的吸附階段開(kāi)始至在另一個(gè)罐內(nèi)的再生階段結(jié)束所需的時(shí)間，典型地在50至100秒之間，最佳數(shù)值如圖2所示為約84秒。
在圖2中以縮合的方式給出了用于壓縮供料空氣的主閥28和29，用于排出富氮?dú)怏w的外流閥30和31以及用于生產(chǎn)富氧氣體的出口閥36和37的工作關(guān)系示意圖，其中參考標(biāo)號(hào)“1”表示閥門(mén)打開(kāi)，而參考標(biāo)號(hào)“0”表示閥門(mén)關(guān)閉。在這個(gè)圖內(nèi)給出的操作時(shí)間可被平滑地調(diào)節(jié)從而能生產(chǎn)出具有所希望純度的富氧氣體。
按照在圖4內(nèi)介紹的本發(fā)明的第二個(gè)最佳實(shí)施例，將干燥供料空氣引入到單罐氣體吸附干燥器34以分離氧氣。罐34的流入端的結(jié)構(gòu)與干燥器罐14或15中一個(gè)的流入端結(jié)構(gòu)相似。閥28是主閥，它控制供料空氣進(jìn)入吸附罐34的通路，并且通過(guò)流出閥30調(diào)節(jié)富氮排出氣體自該吸附罐流至大氣，這種流動(dòng)有時(shí)還要穿過(guò)消聲器32。
吸附罐34交替地或處于吸附階段，或處于再生階段。讓我們假定，罐34首先處于吸附階段。則主閥28保持在打開(kāi)的狀態(tài)，外流閥30被關(guān)閉。按照如第一個(gè)最佳實(shí)施例相類似的方式選擇在罐34中存在的吸附材料，使得氧氣的貫穿流動(dòng)要比氮?dú)鈦?lái)得快些。具有大約4
孔隙度的天然或合成沸石是適宜的材料。在出口閥36打開(kāi)時(shí)，富氧氣體就通過(guò)單向閥38抵達(dá)過(guò)濾器42，在此之后氣流由節(jié)流閥43調(diào)節(jié)。富氧氣體向下通過(guò)安全減壓閥41進(jìn)入貯存罐45。
在吸附罐34開(kāi)始生產(chǎn)富氧氣體時(shí)，即在閥28保持打開(kāi)狀態(tài)10-30秒的時(shí)間，最好為18秒左右時(shí)，出口閥36在這個(gè)吸附階段結(jié)束之前也要保持打開(kāi)某一時(shí)間，最好為7秒左右，因而允許氣體通過(guò)安全減壓閥41流入貯存罐45，并且可以開(kāi)始對(duì)富氧氣體加壓。在加壓期間罐45中的壓力升至最好為500Kpa的某一數(shù)值，加壓之后通過(guò)關(guān)閉出口閥36中止富氧氣體的生產(chǎn)。
在此之后，典型的情況是在大約11秒之后，通過(guò)打開(kāi)外流閥30來(lái)開(kāi)始吸附罐34的再生階段，再生階段歷時(shí)15至30秒，最好約為23秒，由此允許吸附罐34通過(guò)消聲器32排空，并且讓聚集在吸附罐34內(nèi)的富氮?dú)怏w排出。在某一時(shí)間以后，典型的情況是在大約16秒以后，吸附罐就已被排空。在再生階段結(jié)束時(shí)，外流閥30和貯存罐45的出口閥37要打開(kāi)一段時(shí)間，典型的時(shí)間為7秒左右，因此，就能使富氧氣體從貯存罐45開(kāi)始穿過(guò)安全減壓閥39，過(guò)濾器42，節(jié)流閥43和安全減壓閥40流入到吸附罐34中。在此之后，當(dāng)干燥的供料空氣開(kāi)始流入吸附罐34并且開(kāi)始對(duì)其加壓時(shí)，閥30和37關(guān)閉并且主閥28打開(kāi)。這種最終加到500Kpa的加壓過(guò)程典型地歷時(shí)約11秒，此后吸附罐34開(kāi)始以上邊所述的方式操作。從吸附階段開(kāi)始至再生階段結(jié)束的典型循環(huán)時(shí)間在30至60秒之間，最佳數(shù)值約為52秒。
在圖5中給出了供給空氣的主閥28，排出富氮?dú)怏w的外流閥30，用于富氧氣體生產(chǎn)和富氧氣體再生的出口閥36和37的操作關(guān)系圖。這個(gè)關(guān)系圖給出的操作時(shí)間可被平滑地調(diào)節(jié)以便產(chǎn)生所希望純度的富氧氣體。
按照第一和第二最佳實(shí)施例，通過(guò)打開(kāi)關(guān)閉閥46并且通過(guò)用三通閥51來(lái)選擇是低壓直接使用還是高壓增壓使用從貯存罐45取出來(lái)的已被生產(chǎn)出來(lái)的富氧氣體。在直接使用方式中(0-500Kpa)，將富氧的氣體引導(dǎo)到氣動(dòng)控制泵49并且進(jìn)一步引入到分配管道50。在高壓增壓方式中，通過(guò)氣動(dòng)控制的增加單元70將來(lái)自貯存罐45的壓力約為500Kpa的富氧氣體的壓力提高到期望的數(shù)值，例如用于充填如圖4所示的氧氣瓶。
例如與圖7中所示系統(tǒng)相類似的系統(tǒng)可被用作增加單元70，用這種系統(tǒng)可將壓力增高至70Mpa。這樣一個(gè)系統(tǒng)所用的元件都可以在市場(chǎng)上從SCHMIDT KRANTZ AND CO.GmbH買(mǎi)到，下面列出其各個(gè)元件，將公司的代號(hào)寫(xiě)在括號(hào)內(nèi)。這里所列出的增壓?jiǎn)卧?在200Kpa-32Mpa低壓范圍工作的第一兩級(jí)工作汽缸71(DLE5-30)，-在3.5Mpa-70Mpa高壓范圍工作的第二兩級(jí)工作汽缸72(DLE75-1C)，
-用作蓄壓柜的中間罐74，并且配有一個(gè)安全減壓閥73，罐74裝在串連并順序工作的工作汽缸71和72之間，-控制工作汽缸71和72工作的控制空氣單元75，受控的供料空氣壓力的典型數(shù)值在100Kpa-1.1Mpa之間，-操縱第一工作汽缸71工作的第一關(guān)閉閥76，-第二關(guān)閉閥77和壓力調(diào)節(jié)閥78，它們都操縱第二工作汽缸72的工作。
在第一和第二最佳實(shí)施例中，在閥28，29，30，31，36和37的控制中都使用了氣動(dòng)的定時(shí)器和方向閥。如果吸附單元中的壓力超過(guò)了預(yù)置的最大值，在控制中也用一個(gè)安全減壓閥來(lái)中止工作循環(huán)。該控制系統(tǒng)是集成化的，氣動(dòng)元件的大部分都裝在一塊線路板上，這樣一來(lái)它們所有的相互連接的流動(dòng)通道都位于所說(shuō)的線路板上并且不再需要?dú)鈩?dòng)軟管了。所說(shuō)的氣動(dòng)元件都可通過(guò)在芬蘭的Oy FESTO Ab在市場(chǎng)上買(mǎi)得到，下面列出了這些氣動(dòng)元件，產(chǎn)品代號(hào)放在所說(shuō)公司的括號(hào)內(nèi)。
由圖3可知，主閥28和29以及外流閥30和31都被安排成可來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的使用。另外，出口閥36和37被安排成可并行的工作。所說(shuō)的這些閥最好都是隔膜閥(VLX-2型)。這些閥的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換操作由觸發(fā)閥52(VLL-5-PR-3型)控制，觸發(fā)閥52連到脈沖閥53和54(J-3-3.3型)線路中，脈沖閥52和53有一個(gè)輸出端和一個(gè)存貯器?？刂葡到y(tǒng)的定時(shí)器單元由四個(gè)定時(shí)單元55，56，57和58(VUZ型)組成。這些定時(shí)單元都有氣動(dòng)的機(jī)械時(shí)鐘裝置，通過(guò)該時(shí)鐘裝置可以為生產(chǎn)循環(huán)設(shè)置可希望的時(shí)間順序。按照線路圖中所示的方式，即通過(guò)存貯閥53和54中的介質(zhì)并且通過(guò)直接操作隔膜型出口閥36和37來(lái)調(diào)節(jié)這些定時(shí)單元。有兩個(gè)輸出端的脈沖閥59直接控制定時(shí)器單元56和58以及觸發(fā)閥52的動(dòng)作。
由圖6可知，主閥28和外流閥30被安排成能交替地工作。另外，出口閥36和37被安排成能并行地工作。所說(shuō)的這些閥最好都是隔膜閥(VLX-2型)。這些閥的動(dòng)作都由一個(gè)觸發(fā)閥52(VLL-5-PK-3型)控制，觸發(fā)閥52是像一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)那樣地工作并且被連接到一個(gè)脈沖閥(J-3-3.3型)上，該脈沖閥有一個(gè)輸出和工作循環(huán)存貯器?？刂葡到y(tǒng)的定時(shí)器單元包括四個(gè)定時(shí)器單元55，56，57和58(VUZ型)。這些定時(shí)器單元包括氣動(dòng)機(jī)械時(shí)鐘裝置，通過(guò)這些時(shí)鐘裝置可設(shè)置所希望的時(shí)間順序。這些定時(shí)器單元按線路圖中所示的方式，即通過(guò)存貯閥53中的介質(zhì)并且通過(guò)直接操作隔膜型出口閥36和37被調(diào)節(jié)。有兩個(gè)輸出端的脈沖閥59(J-5-3.3型)控制定時(shí)器單元以及觸發(fā)閥52的工作。
為了確保在圖1和圖4中所示的第一和第二最佳實(shí)施例中的氣體吸附單元能可靠而準(zhǔn)確的工作，吸附單元上有壓力傳感器，壓力傳感器連到壓力調(diào)節(jié)閥62(VD-3-3.3)上，最好選800Kpa為壓力的上限。壓力調(diào)節(jié)閥62并行地連到一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)的控制閥63(SV-3-M5-N-22-S)和主關(guān)閉閥61(VL/0-3-3.3)上，主關(guān)閉閥61又連到“或”閥60(OS-6/3-3.3)上，第二個(gè)控制閥64(SV-3-M5-N-22-S)也連到“或”閥60上。
由所說(shuō)的控制閥63(64)來(lái)啟動(dòng)該控制系統(tǒng)，啟動(dòng)之后系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作，-按照?qǐng)D2所示被設(shè)定的順序控制閥28，29，30，31，36和38，或者-按照?qǐng)D5所示被設(shè)定的順序控制閥28，30，36和38。
如果氣體吸附單元中的壓力增高的過(guò)大，關(guān)閉閥61就中止這一循環(huán)。但是由控制閥64或根據(jù)由控制閥63產(chǎn)生的壓力下降都可重新啟動(dòng)該循環(huán)。
該控制系統(tǒng)完全是氣動(dòng)操作的，最好使用500-600Kpa左右的壓縮空氣。通過(guò)由本身是眾所周知的壓縮空氣源(如壓縮機(jī)，圖中未示出)輔助設(shè)備就可以得到壓縮空氣，并將壓縮空氣通過(guò)由圖3和圖6所示的控制閥63和64引入到控制系統(tǒng)。
如早些時(shí)候提到的，氣動(dòng)元件52-62被安排在一塊線路板上，該線路板放在一個(gè)密封盒47(27)內(nèi)?？刂崎y63和64最好裝在該盒的外部，這種安排的一個(gè)好處是壓縮空氣軟管僅需裝在這些控制閥和線路板之間以及相應(yīng)的隔膜閥和線路板之間。
由上述相應(yīng)的氣動(dòng)元件52-64組成的控制系統(tǒng)最好也能用來(lái)控制濕氣吸附單元，尤其是主閥10和11以及出口閥12和13的動(dòng)作。
到目前為止僅借助于兩個(gè)最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。除了發(fā)明和/或它的各種變通型式都可能在所附的權(quán)利要求
范圍之內(nèi)外，當(dāng)然不希望以任何方式對(duì)本發(fā)明施加限制。
該裝置的其它部分可以和以上提到的代表性元件不同?？赡苡孟惹矮@得的壓縮空氣代替壓縮機(jī)。在裝置作為整體仍舊相同的情況下，通過(guò)改變工作循環(huán)可以使氣體吸附單元適應(yīng)于不同的工作數(shù)值。此外可以復(fù)制出兩個(gè)氧氣產(chǎn)生單元，其中的一個(gè)或許較小些，這樣就可獲得一個(gè)兩級(jí)分離，用兩級(jí)分離時(shí)通過(guò)讓相對(duì)較大量的氣體流過(guò)較大的單元就能提高氧氣的純度。在要求有較高純度時(shí)這種安排是很有用的。通過(guò)改變吸附材料，就可用這種裝置來(lái)分離氮或其它空氣組分，而不是分離氧。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)吸附的氣體濃縮方法，尤其是用于從空氣中分離出氧氣的方法，其特征在于該方法包括如下的連續(xù)步驟--將空氣壓縮到某一壓力，這一壓力比正常的大氣壓力高得多，--排出由壓縮引起的冷凝水，并且盡可能地將壓縮空氣干燥，--將壓縮空氣引入到一個(gè)吸附單元，吸附單元含有吸附材料，最好是天然的或合成的沸石，該吸附材料適宜于將氣體分離成它的部分組分，--至少?gòu)脑撐絾卧鰜?lái)的富氧產(chǎn)品氣體的大部分，被引導(dǎo)向前，最好引導(dǎo)到一個(gè)存貯部件或用戶處，以及--較少部分富氧產(chǎn)品氣體被循環(huán)到吸附單元以便通過(guò)排出束縛到該吸附單元中吸附材料上的富氮?dú)怏w使該吸附單元再生，所說(shuō)方法的特征還在于所說(shuō)氣體流--被引入到該吸附單元的壓縮空氣，--從該吸附單元出來(lái)的大部分富氧產(chǎn)品氣體，--被循環(huán)到該吸附單元中的少部分富氧氣體，--從吸附單元排出的富氮廢氣，都由氣動(dòng)元件控制和調(diào)節(jié)，因此，通過(guò)吸附法安全可靠地實(shí)現(xiàn)了從空氣中分離出氣體組分，最好是氧，即使是在潮濕、寒冷和/或有爆炸危險(xiǎn)的條件下也是可靠安全的。
2.一種如權(quán)利要求
1所述的，用一個(gè)雙罐吸附單元來(lái)實(shí)施的方法，其特征在于，產(chǎn)品氣體流的所說(shuō)的較少部分的啟動(dòng)時(shí)刻和流動(dòng)時(shí)間都由氣動(dòng)元件確定，控制和調(diào)節(jié)，上述的較少部產(chǎn)品氣體從一個(gè)吸附罐上部或外流管開(kāi)始被引導(dǎo)穿過(guò)另一個(gè)吸附罐以便使其再生。
3.一種如權(quán)利要求
1所述的，通過(guò)一個(gè)單罐吸附單元來(lái)實(shí)施的方法，其特征在于所說(shuō)產(chǎn)品氣體流的較少部分的啟動(dòng)時(shí)刻和流動(dòng)時(shí)間均由氣動(dòng)元件確定，控制和調(diào)節(jié)，上述的較少部分產(chǎn)品氣體從中間貯存罐開(kāi)始被引導(dǎo)穿過(guò)該吸附罐以便使該吸附罐再生。
4.一種權(quán)利要求
1-3中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于，將被分離出冷凝水的壓縮空氣引導(dǎo)到至少一個(gè)雙罐干燥器以便將空氣干燥到一個(gè)適宜的濕度，最好讓干燥后的壓縮空氣的露點(diǎn)在-40℃左右，上述干燥器包括有濕氣吸附材料，最好是硅膠或分子篩，該方法的特征還在于，-進(jìn)入一個(gè)濕氣吸附干燥罐的壓縮空氣流，-從一個(gè)濕氣吸附干燥罐進(jìn)入一個(gè)吸附罐的干燥空氣流的大部分，-從一個(gè)濕氣吸附干燥罐進(jìn)入另一個(gè)濕氣吸附干燥罐，用于排除束縛在濕氣吸附材料上濕氣以便使該罐再生的少部分干燥空氣流，以及-從處于再生階段的濕氣吸附罐流出的帶有一定濕氣的空氣流，都由氣動(dòng)元件控制。
5.一種氣體濃縮裝置，尤其是用于從空氣中分離出氧氣的裝置，其特征在于該裝置至少包括下述部件的組合-用于壓縮供料空氣的一個(gè)空氣供給部件(1)，最好是一個(gè)壓縮機(jī)，-分離部件(2-9)，最好與所說(shuō)空氣供料部件組合使用，用于至少能從所說(shuō)的供料空氣中除去由于空氣的壓縮而產(chǎn)生的冷凝水，-一個(gè)濕氣吸附干燥器，它最好包括兩個(gè)依次處在濕氣吸附階段工作的氣罐(14，15)，每一個(gè)氣罐或者包含適當(dāng)?shù)臐駳馕讲牧?，最好是硅膠，或者包括一個(gè)分子篩，所說(shuō)干燥器在所說(shuō)水份分離部件(2-9)之后并且按照與要干燥的材料的比率、循環(huán)時(shí)間以及其它產(chǎn)生干燥壓縮空氣可選擇的工作參數(shù)將干燥器優(yōu)化，干燥的壓縮空氣的露點(diǎn)最好在約-40℃，-一個(gè)氣體吸附單元(34′，35)，它包括適合于通過(guò)吸附作用將氣體分離成它的各種組分的材料，最好是用于將供料空氣中存在的氧和氮相互分開(kāi)的天然或合成沸石，-貯存由所說(shuō)的氣體吸附單元得到的氣體產(chǎn)品(最好是富氧氣體)的罐部件(45;47)，-使該裝置的所說(shuō)的各個(gè)部分與氣流連接點(diǎn)相互連接的管路，用于連通在所說(shuō)供給部件(1)，所說(shuō)分離部件(2-9)，所說(shuō)濕氣吸附干燥器(14，15)，所說(shuō)氣體吸附單元(34′，34，35)和所說(shuō)罐部件(45;47)之間的氣流通道，并且，-用于在該裝置的所說(shuō)各部分中以及所說(shuō)管路中控制氣流的氣動(dòng)調(diào)節(jié)和控制元件(10-13、28-31，36，37，52-64)，并且最好還包括-進(jìn)一步處理已被分離開(kāi)的氣體組分(最好是富氧氣體)的部件，這些部件置于所說(shuō)罐部件(45;47)之后并且最好包括氣動(dòng)增壓?jiǎn)卧?70)和壓力瓶(80)，以便在高壓下貯存氣體產(chǎn)物。
6.一種如權(quán)利要求
5所述的氣體濃縮設(shè)備，其特征在于該氣體吸附單元由單罐(34)組成，罐(34)依次地或處于吸附階段，或處于再生階段，在吸附階段富氧氣體的流出時(shí)間在10-30秒之間，最好約為18秒，在再生階段富氮?dú)怏w的流出時(shí)間在15-30秒之間，最好約為23秒，因此，從吸附階段開(kāi)始到再生階段結(jié)束的整個(gè)循環(huán)時(shí)間在30-60秒之間，最好為52秒。
7.一種如權(quán)利要求
5所述的氣體濃縮裝置，其特征在于該氣體吸附單元由兩個(gè)罐(34′ 35)組成，它們依次或處于吸附階段，或處于再生階段，在吸附階段富氧氣體的流出時(shí)間在10-30秒之間，最好約為15秒，在再生階段富氧氣體的流出時(shí)間在15-30秒之間，最好為24秒，因此，從在一個(gè)罐內(nèi)吸附階段的開(kāi)始到在另一個(gè)罐內(nèi)再生階段的結(jié)束的整個(gè)循環(huán)時(shí)間在50-100秒之間，最好為84秒。
8.一種如權(quán)利要求
5-7中任何一個(gè)所述的氣體濃縮裝置，其特征在于，用于供料空氣，富氧氣體和富氮?dú)怏w的氣動(dòng)調(diào)節(jié)元件包括幾個(gè)氣動(dòng)隔膜閥(10-13，28-31，36，37)，其特征還在于，操縱所說(shuō)氣動(dòng)隔膜閥(10-13，28-31，36，37)的控制元件至少包括氣動(dòng)定時(shí)器(55-58)和氣動(dòng)脈沖閥(53，54，59)。
9.一種如權(quán)利要求
5-8中任何一個(gè)所述的氣體濃縮裝置，其特征在于壓力調(diào)節(jié)閥(62)一方面要連接到裝在氣體吸附單元(34;34′，35)和濕氣吸附單元(14，15)的每一個(gè)罐中的壓力傳感器上，另一方面還要連接到氣動(dòng)控制系統(tǒng)(52-64)的一個(gè)主關(guān)閉閥(61)上，其特征在于，所說(shuō)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)被集成在一塊共用的緊密密封的盒內(nèi)，使得該控制系統(tǒng)的較大部分元件(52-64)都適于裝在所說(shuō)的盒內(nèi)，其特征還在于如果氣體吸附單元的或濕氣吸附單元的罐中壓力超過(guò)預(yù)定的最大值時(shí)，即在濕氣吸附單元的罐中壓力約為800Kpa或者在氣體吸附單元的罐中壓力約為500Kpa時(shí)，用所說(shuō)的壓力調(diào)節(jié)閥(62)來(lái)中止此工作循環(huán)。
10.一種如權(quán)利要求
5-9中任何一個(gè)所述的氣體濃縮裝置，其特征在于用于將生產(chǎn)出的富氧氣體的壓力最大提高到70Mpa的所說(shuō)增壓?jiǎn)卧?70)包括-一個(gè)在低壓區(qū)工作的第一兩級(jí)工作汽缸(72)，-一個(gè)在高壓區(qū)工作的第二兩級(jí)工作汽缸(72)，-一個(gè)裝有安全減壓閥(73)的中間罐(74)，它串接在所說(shuō)依次交替工作的汽缸(71、72)之間，-一個(gè)空氣控制單元(75)，-一個(gè)操縱第一工作汽缸(71)工作的第一關(guān)閉閥(76)，-一個(gè)操縱第二工作汽缸(72)工作的第二關(guān)閉閥(77)。
專利摘要
本發(fā)明涉及一個(gè)氣體濃縮方法和一個(gè)氣體濃縮裝置，尤其是用于通過(guò)吸附法從空氣中分離出氧氣。按照本發(fā)明，首先用壓縮機(jī)(1)將空氣壓縮并且用雙罐濕氣吸附單元(14，15)使空氣干燥從而為氣體吸附單元(34′，35)供應(yīng)空氣，供料空氣的露點(diǎn)為-40℃左右。來(lái)自吸附單元的大部分富氧氣體被導(dǎo)引向前而小部分富氧氣體投入重新循環(huán)以便通過(guò)除去束縛到吸附單元中吸附材料上的富氮?dú)怏w使吸附單元再生。
文檔編號(hào)C01B21/00GK87102164SQ87102164
公開(kāi)日1987年11月25日 申請(qǐng)日期1987年2月12日
發(fā)明者薩穆利·萊蒂南 申請(qǐng)人:阿哈皮公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan