CN100469686C - 从空气中分离氧气的方法及设备 - Google Patents

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CN100469686C CNB2005100262452A CN200510026245A CN100469686C CN 100469686 C CN100469686 C CN 100469686C CN B2005100262452 A CNB2005100262452 A CN B2005100262452A CN 200510026245 A CN200510026245 A CN 200510026245A CN 100469686 C CN100469686 C CN 100469686C
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Abstract

本发明涉及变压吸附制氧领域，提供了一种全新的，回收率高、投资省、操作简单的串级式吸附塔，它包括用于吸附空气中的全部H2O、CO2和部分N2的第一段(101)，以及用于吸附剩余的N2以及Ar的第二段(102)，它们之间用程控阀(200)连通，其中，所述第一段(101)装填了活性氧化铝、13X分子筛和氧分子筛三种吸附剂，所述第二段(102)装填了氧分子筛一种吸附剂。本发明还提供了包含该吸附塔的从空气中分离氧气的设备，以及采用串级式吸附塔一步吸附技术从空气中分离氧气的方法。

Description

从空气中分离氧气的方法及设备
技术领域
本发明涉及变压吸附制氧领域，更具体地说，本发明涉及一种采用串级式吸附塔一步吸附技术从空气中分离氧气的方法及设备。
背景技术
目前，采用串级式吸附塔在常温下一步从空气中制取氧气的方法，在国内外尚无公开的专利文献或报道资料。现有的技术或者是采用单级塔一套变压吸附流程，如中国专利申请CN1035993A、CN1252322A、CN1200949A所公开的；或者是采用两段变压吸附流程，如CN1386565A所公开的。采用单级塔一套变压吸附技术时，由于吸附塔均压后，床层内的氧气未能充分回收就被排放掉了，因此氧气回收率较低，能耗较高；而采用两段变压吸附流程时，实际上是将两套完整的变压吸附装置串联在一起使用，投资和占地大、故障率高。
因此，本领域亟需开发一种全新的，回收率高、投资省、操作简单的变压吸附制氧技术。
发明内容
本发明提供了一种采用串级式吸附塔一步吸附技术从空气中分离氧气的方法及设备，解决了现有技术的问题。
一方面，本发明提供了一种串级式吸附塔，它包括用于吸附空气中的全部H2O、CO2和部分N2的第一段，以及用于吸附剩余的N2以及Ar的第二段，它们之间用程控阀连通，其中，所述第一段装填了活性氧化铝、13X分子筛和氧分子筛三种吸附剂，所述第二段装填了氧分子筛一种吸附剂。
在一个优选的实施方式中，所述第二段与第一段的体积比为0.4-2.5。
另一方面，本发明提供了一种从空气中分离氧气的设备，它包括两台或多台上述串级式吸附塔，与所述串级式吸附塔的第一段连接的用于升压运送空气的鼓风机，与所述串级式吸附塔的第二段连接的用于运送分离得到的氧气的氧气缓冲罐，以及与所述串级式吸附塔的第一段连接的用于对其抽真空的真空泵。
在一个优选的实施方式中，所述设备包括2-50台所述串级式吸附塔。
再一方面，本发明提供了一种采用串级式吸附塔一步吸附技术从空气中分离氧气的方法，它包括：
在升压下将空气送入上述串级式吸附塔中，在所述串级式吸附塔的第一段中吸附空气中的全部H2O、CO2和部分N2，在所述串级式吸附塔的第二段中吸附剩余的N2以及Ar，得到氧气；
在吸附结束后，使所述串级式吸附塔中的部分氧气流入其它串级式吸附塔中，直到它们的压力相等；
对所述串级式吸附塔的第一段抽真空，使其中吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来；
使所述串级式吸附塔第二段内的氧气流入第一段中，所述第一段的压力下降，被吸附的N2被解吸出来，同时所述第二段内的压力升高；
使所述其它串级式吸附塔内的部分氧气流入所述串级式吸附塔中，直到它们的压力相等；
使所述串级式吸附塔的压力升高，以进行下一次的吸附。
在一个优选的实施方式中，用计算机程序控制所述串级式吸附塔的第一段和第二段的操作。
在另一个优选的实施方式中，所述串级式吸附塔的第一段和第二段的压力相同，均为0.01-0.08MPa.G。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的2塔工艺流程的示意图。
图2是根据本发明的一个实施方式的3塔工艺流程的示意图。
图3是根据本发明的一个实施方式的4塔工艺流程的示意图。
图4是根据本发明的一个实施方式的5塔工艺流程的示意图。
具体实施方式
本发明的技术构思在于，采用串级式吸附塔在常温下一步从空气中制取氧气。在该方法中，吸附塔被分成第一段和第二段，两段间以一个程控阀门隔开。在正常吸附过程中，吸附塔的第一段和第二段是连通的，就好像一个吸附塔一样工作(吸附空气中的H2O、N2和Ar，产出氧气)，但在解吸过程中，两段的解吸方式是不同的，吸附塔的第一段采用真空解吸方式，而吸附塔的第二段采用逆放和冲洗解吸方式，吸附塔第二段中的解吸气全部回收进入第一段。整个装置的全部工艺过程包括：吸附(A)、均压降压(ED)、真空(V)、第二段降压(UD)、均压升压(ER)、产品升压(FR)步骤。
将吸附塔分成第一段和第二段，并在它们之前增加一个程控阀后，就可以使得：抽真空解吸时，只对吸附塔的第一段抽真空，这样就不会造成第二段内的高浓度氧气(均压后第二段内的氧气浓度可以达到40～80％(v))的损失，因此该流程可大大提高氧气回收率，降低抽真空的流量，从而降低装置能耗。
吸附塔第二段的再生过程主要是依靠第二段降压(UD)过程来完成的，其中的氧气全部回收进入了塔的第一段，因此第二段的降压过程实际上对应于第一段的升压过程。
第一段和第二段在吸附过程中是完全同步的，就好像一个未分段的吸附塔一样，但解吸过程是不同的，其中的抽真空步序只对第一段有效，第二段降压(UD)步序只对第二段有效。
第一段和第二段的吸附压力是完全相同的，均为0.01～0.08MPa.G。由于该技术全部采用低压操作，所以原料空气的压缩可以采用噪音和故障率都很低的离心式鼓风机，而不需要采用罗兹鼓风机或空气压缩机，这样就又进一步提高了装置的可靠性。而且，由于采用了低压原料空气吸附，还可降低空气压缩能耗，并且不再需要对空气进行冷却，压缩后的空气温度在0～80℃左右，可以直接进入变压吸附制氧设备。
吸附塔的第一段装填活性氧化铝、13X分子筛、氧分子筛三种吸附剂，分别用于吸附H2O、CO2和N2；吸附塔的第二段只装填氧分子筛，用于吸附N2和Ar，经过两段后出来的产品氧气纯度在50～99％(v)。在同样的消耗下，可以得到比传统一段变压吸附制氧法高10-50％(v)纯度的氧气。
吸附塔的第二段与第一段的体积比为0.4-2.5，不同的比例适合于不同的氧气纯度要求。
本发明在实际应用中可以应用于2塔或多塔，例如2-10塔的流程。其提高氧气回收率、节能和节省投资的效果都是非常明显的。
本发明的主要优点在于：
1)避免了吸附塔第二段的氧气在真空过程中的损失，从而大大提高了氧气的回收率，降低了空气的耗量和真空泵的负荷，可大大降低制氧设备的能耗(约省35％)；
2)操作简单、可靠、投资省(约省30％)、占地小(比两段流程约小40％)。
以下，通过实施例进一步描述本发明，但是，应该明白，本发明无论如何也不限于下述实施例。
实施例1：
本发明在2塔工艺流程的应用
参看图1，图1示出了根据本发明的2塔工艺流程。在2塔工艺流程中，所述设备由鼓风机(300)、2台分成第一段(101)和第二段(102)的串级式吸附塔a和b、1台产品氧气缓冲罐(500)、1台真空罐(600)和真空泵(400)构成。
具体的工艺流程如下(以塔a为例说明)：
1)吸附(A)
空气经鼓风机升压后，直接进入制氧设备中正处于吸附状态的吸附塔a中，空气经程控阀1a首先进入塔第一段，在塔第一段中，空气中全部的H2O、CO2和部分N2被吸附下来；然后经程控阀200进入塔第二段，在塔第二段中，剩余的N2以及Ar被塔第二段中装填的氧分子筛吸附下来，得到用户所要求纯度的氧气从塔顶流出，经过程控阀3a和压力调节阀800稳压后进入产品氧气缓冲罐，然后送往用户。
在此过程中，塔第一段和第二段处于相同的工作压力。
随着吸附的进行，塔第一段和第二段的吸附剂逐渐吸附饱和后，在产品氧气纯度降要低于用户要求前，停止吸附，开始转入解吸步序。
2)均压降压(ED)
在吸附步序结束后。打开4a、4b阀，将塔a内的部分氧气回收进塔b，直到两个塔的压力相等为止。均压降压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。
3)真空(V)
在均压降压步序结束后。塔a的压力已经低于常压了，因此可直接打开5a，将吸附塔的第一段与真空系统接通，在真空下使吸附塔第一段内吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来。此过程中程控阀200关闭，吸附塔第二段不抽真空。
4)第二段降压(UD)
在抽真空步序结束后。关闭程控阀5a，然后打开程控阀200，这样塔第二段内的氧气就会自动流入塔第一段，同时由于塔第二段的压力下降，被吸附的N2也解吸出来，进入塔第一段。该步序是吸附塔第二段的降压过程也是塔第一段的首次升压过程。
5)均压升压(ER)
在塔第二段降压步序结束后。再打开4a、4b阀，将塔b内的部分氧气回收进塔a，直到两个塔的压力相等为止。均压升压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。均压升压步序对塔第二段而言还是一个冲洗再生过程，可以保证杂质更好地从塔第二段中解吸出来，进入塔第一段。
6)产品升压(FR)
在均压升压步序结束后。为了使吸附塔能平稳地转入下一次吸附，打开4a和900阀，用部分产品氧气将塔a的压力升到吸附压力，这样该吸附塔a就又可以平稳地进行下一次吸附了。产品升压步序也是塔第二段的置换步序，可保证塔第二段吸附剂的完全解吸，和最终完全充满产品氧气，从而避免产品纯度的波动。
2台(分成第一段和第二段的)吸附塔交替进行以上的“吸附-解吸”操作，就可以实现氧气的连续生产。
2塔工艺流程的吸附塔步序表：
 
步序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
塔a A A A ED V V V UD ER FR
塔b V V UD ER FR A A A ED V
实施例2：
本发明在3塔工艺流程的应用
参看图2，图2示出了根据本发明的3塔工艺流程。在3塔工艺流程中，所述设备由鼓风机(300)、3台分成第一段(101)和第二段(102)的串级式吸附塔a、b和c、1台产品氧气缓冲罐(500)、1台真空罐(600)和真空泵(400)构成。
具体的工艺流程如下(以塔a为例说明)：
1)吸附(A)
空气经鼓风机升压后，直接进入制氧设备中正处于吸附状态的吸附塔a中，空气经程控阀1a首先进入塔第一段，在塔第一段中，空气中全部的H2O、CO2和部分N2被吸附下来；然后经程控阀200进入塔第二段，在塔第二段中，剩余的N2以及Ar被塔第二段中装填的氧分子筛吸附下来，得到用户所要求纯度的氧气从塔顶流出，经过程控阀3a和压力调节阀800稳压后进入产品氧气缓冲罐，然后送往用户。
在此过程中，塔第一段和第二段处于同样的工作压力。
随着吸附的进行，塔第一段和第二段的吸附剂逐渐吸附饱和后，在产品氧气纯度降要低于用户要求前，停止吸附，开始转入解吸步序。
2)均压降压(ED)
在吸附步序结束后。打开4a、4c阀，将塔a内的部分氧气回收进塔c中，直到两个塔的压力相等为止。均压降压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。
3)真空(V)
在均压降压步序结束后。塔a的压力已经低于常压了，因此可直接打开5a，将所述吸附塔的第一段与真空系统接通，在真空下使所述第一段内吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来。此过程中程控阀200关闭，吸附塔第二段不抽真空。
4)第二段降压(UD)
在抽真空步序结束后。关闭程控阀5a，然后打开程控阀200，这样塔第二段内的氧气就会自动流入塔第一段，同时由于塔第二段的压力下降，被吸附的N2也解吸出来，进入塔第一段。该步序是吸附塔第二段的降压过程也是塔第一段的首次升压过程。
5)均压升压(ER)
在塔第二段降压步序结束后。再打开4a、4b阀，将塔b内的部分氧气回收进塔a，直到两个塔的压力相等为止。均压升压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。均压升压步序对塔第二段而言还是一个冲洗再生过程，可以保证杂质更好地从塔第二段中解吸出来，进入塔第一段。
6)产品升压(FR)
在均压升压步序结束后。为了使吸附塔能平稳地转入下一次吸附，打开4a和900阀，用部分产品氧气将塔a的压力升到吸附压力，这样该吸附塔a就又可以平稳地进行下一次吸附了。产品升压步序也是塔第二段的置换步序，可保证塔第二段吸附剂的完全解吸，和最终完全充满产品氧气，从而避免产品纯度的波动。
3台(分成第一段和第二段的)吸附塔交替进行以上的“吸附-解吸”操作，就可以实现氧气的连续生产。
3塔工艺流程的吸附塔步序表
 
步序 1 2 3 4 5 6 7 8 9
塔a A A A ED V UD ER FR FR
塔b ER FR FR A A A ED V UD
塔c ED V UD ER FR FR A A A
实施例3：
本发明在4塔工艺流程的应用
参看图3，图3示出了根据本发明的4塔工艺流程。在4塔工艺流程中，所述设备由鼓风机(300)、4台分成第一段(101)和第二段(102)的串级式吸附塔a、b、c和d、1台产品氧气缓冲罐(500)、1台真空罐(600)和真空泵(400)构成。
具体的工艺流程如下(以塔a为例说明)：
1)吸附(A)
空气经鼓风机升压后，直接进入制氧设备中正处于吸附状态的吸附塔a中，空气经程控阀1a首先进入塔第一段，在塔第一段中，空气中全部的H2O、CO2和部分N2被吸附下来；然后经程控阀200进入塔第二段，在塔第二段中，剩余的N2以及Ar被塔第二段中装填的氧分子筛吸附下来，得到用户所要求纯度的氧气从塔顶流出，经过程控阀3a和压力调节阀800稳压后进入产品氧气缓冲罐，然后送往用户。
在此过程中，塔第一段和第二段处于同样的工作压力。
随着吸附的进行，塔第一段和第二段的吸附剂逐渐吸附饱和后，在产品氧气纯度降要低于用户要求前，停止吸附，开始转入解吸步序。
2)均压降压(ED)
在吸附步序结束后。打开4a、4d阀，将塔a内的部分氧气回收进塔d中，直到两个塔的压力相等为止。均压降压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。
3)真空(V)
在均压降压步序结束后。塔a的压力已经低于常压了，因此可直接打开5a，将所述吸附塔的第一段与真空系统接通，在真空下使所述第一段内吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来。此过程中程控阀200关闭，吸附塔第二段不抽真空。
4)第二段降压(UD)
在抽真空步序结束后。关闭程控阀5a，然后打开程控阀200，这样塔第二段内的氧气就会自动流入塔第一段，同时由于塔第二段的压力下降，被吸附的N2也解吸出来，进入塔第一段。该步序是吸附塔第二段的降压过程也是塔第一段的首次升压过程。
5)均压升压(UD)
在塔第二段降压步序结束后。再打开4a、4b阀，将塔b内的部分氧气回收进塔a，直到两个塔的压力相等为止。均压升压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。均压升压步序对塔第二段而言还是一个冲洗再生过程，可以保证杂质更好地从塔第二段中解吸出来，进入塔第一段。
6)产品升压(FR)
在均压升压步序结束后。为了使吸附塔能平稳地转入下一次吸附，打开4a和900阀，用部分产品氧气将塔a的压力升到吸附压力，这样该吸附塔a就又可以平稳地进行下一次吸附了。产品升压步序也是塔第二段的置换步序，可保证塔第二段吸附剂的完全解吸，和最终完全充满产品氧气，从而避免产品纯度的波动。
4台(分成第一段和第二段的)吸附塔交替进行以上的“吸附-解吸”操作，就可以实现氧气的连续生产。
4塔工艺流程的吸附塔步序表
 
步序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
塔a A A A A A A ED V UD ER FR FR
塔b ER FR FR A A A A A A ED V UD
塔c ED V UD ER FR FR A A A A A A
塔d A A A ED V UD ER FR FR A A A
实施例4：
本发明在5塔工艺流程的应用
参看图4，图4示出了根据本发明的5塔工艺流程。在5塔工艺流程中，所述设备由鼓风机(300)、5台分成第一段(101)和第二段(102)的串级式吸附塔a、b、c、d和e、1台产品氧气缓冲罐(500)、1台真空泵(400)构成。
具体的工艺流程如下(以塔a为例说明)：
1)吸附(A)
空气经鼓风机升压后，直接进入制氧设备中正处于吸附状态的吸附塔a中，空气经程控阀1a首先进入塔第一段，在塔第一段中，空气中全部的H2O、CO2和部分N2被吸附下来；然后经程控阀200进入塔第二段，在塔第二段中，剩余的N2以及Ar被塔第二段中装填的氧分子筛吸附下来，得到用户所要求纯度的氧气从塔顶流出，经过程控阀3a和压力调节阀800稳压后进入产品氧气缓冲罐，然后送往用户。
在此过程中，塔第一段和第二段处于同样的工作压力。
随着吸附的进行，塔第一段和第二段的吸附剂逐渐吸附饱和后，在产品氧气纯度降要低于用户要求前，停止吸附，开始转入解吸步序。
2)均压降压(ED)
在吸附步序结束后。打开4a、4d阀，将塔a内的部分氧气回收进塔d中，直到两个塔的压力相等为止。均压降压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。
3)真空(V)
在均压降压步序结束后。塔a的压力已经低于常压了，因此可直接打开5a，将所述吸附塔的第一段与真空系统接通，在真空下使所述第一段内吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来。此过程中程控阀200关闭，吸附塔第二段不抽真空。
4)第二段降压(UD)
在抽真空步序结束后。关闭程控阀5a，然后打开程控阀200，这样塔第二段内的氧气就会自动流入塔第一段，同时由于塔第二段的压力下降，被吸附的N2也解吸出来，进入塔第一段。该步序是吸附塔第二段的降压过程也是塔第一段的首次升压过程。
5)均压升压(UD)
在塔第二段降压步序结束后。再打开4a、4c阀，将塔c内的部分氧气回收进塔a，直到两个塔的压力相等为止。均压升压步序中，程控阀200也打开，塔第一段和第二段同时进行。均压升压步序对塔第二段而言还是一个冲洗再生过程，可以保证杂质更好地从塔第二段中解吸出来，进入塔第一段。
6)产品升压(FR)
在均压升压步序结束后。为了使吸附塔能平稳地转入下一次吸附，打开4a和900阀，用部分产品氧气将塔a的压力升到吸附压力，这样该吸附塔a就又可以平稳地进行下一次吸附了。产品升压步序也是塔第二段的置换步序，可保证塔第二段吸附剂的完全解吸，和最终完全充满产品氧气，从而避免产品纯度的波动。
5台(分成第一段和第二段的)吸附塔交替进行以上的“吸附-解吸”操作，就可以实现氧气的连续生产。
5塔工艺流程的吸附塔步序表
 
步序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
塔a A A A A A A ED V V V V UD ER FR FR
塔b ER FR FR A A A A A A ED V V V V UD
塔c V V UD ER FR FR A A A A A A ED V V
塔d ED V V V V UD ER FR FR A A A A A A
塔e A A A ED V V V V UD ER FR FR A A A
本发明的应用效益：
1)当本发明用于传统的2-5塔VPSA制氧流程后，由于将传统的吸附塔分成上下两段(第二段和第一段)，通过第二段向第一段的降压步序(UD步序)，避免了吸附塔第二段的氧气在真空过程中的损失，从而大大提高了氧气的回收率，降低了空气的耗量和真空泵的负荷，可大大降低制氧设备的电耗约35％；
2)本发明的应用还可以使得氧气的纯度比传统流程提高2-6％，最高纯度可以达到99％。
3)本发明的应用可减少动设备的投资、从而使总投资下降约30％。
4)本发明的占地小，比完全的两段流程节省占地约40％。
虽然在本文中对本发明进行了各种详细的描述，但是，本领域技术人员在阅读了本申请的说明书之后将会明白，在不偏离本发明的精神和实质的前提下，可以对本发明进行各种修改和改变。对本发明的各种修改和改变都落入所附权利要求书的范围之内。

Claims (7)

1.一种串级式吸附塔，它包括用于吸附空气中的全部H2O、CO2和部分N2的第一段(101)，以及用于吸附剩余的N2以及Ar的第二段(102)，它们之间用程控阀(200)连通，其中，所述第一段(101)装填了活性氧化铝、13X分子筛和氧分子筛三种吸附剂，所述第二段(102)装填了氧分子筛一种吸附剂。
2.如权利要求1所述的串级式吸附塔，其特征在于，所述第二段(102)与第一段(101)的体积比为0.4-2.5。
3.一种从空气中分离氧气的设备，它包括两台或多台权利要求1所述的串级式吸附塔，与所述串级式吸附塔的第一段(101)连接的用于升压运送空气的鼓风机(300)，与所述串级式吸附塔的第二段(102)连接的用于运送分离得到的氧气的氧气缓冲罐(500)，以及与所述串级式吸附塔的第一段(101)连接的用于对其抽真空的真空泵(400)。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，它包括2-50台所述串级式吸附塔。
5.一种采用串级式吸附塔一步吸附技术从空气中分离氧气的方法，它包括：
在升压下将空气送入权利要求1所述的串级式吸附塔中，在所述串级式吸附塔的第一段中吸附空气中的全部H2O、CO2和部分N2，在所述串级式吸附塔的第二段中吸附剩余的N2以及Ar，得到氧气；
在吸附结束后，使所述串级式吸附塔中的部分氧气流入其它串级式吸附塔中，直到它们的压力相等；
对所述串级式吸附塔的第一段抽真空，使其中吸附的H2O、CO2和N2全部解吸出来；
使所述串级式吸附塔第二段内的氧气流入第一段中，所述第一段的压力下降，被吸附的N2被解吸出来，同时所述第二段内的压力升高；
使所述其它串级式吸附塔内的部分氧气流入所述串级式吸附塔中，直到它们的压力相等；
使所述串级式吸附塔的压力升高，以进行下一次的吸附。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用计算机程序控制所述串级式吸附塔的第一段和第二段的操作。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述串级式吸附塔的第一段和第二段的压力相同，均为0.01-0.08MPa.G。
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