CN100534579C

CN100534579C - 余热回收利用的三分子筛变温吸附空气纯化工艺及装置

Info

Publication number: CN100534579C
Application number: CNB2006101125387A
Authority: CN
Inventors: 王立; 刘桂芹; 孙淑风; 童莉葛
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: CN1919417A

Abstract

一种余热回收利用的三分子筛变温吸附空气纯化工艺及装置，属于空分装置节能降耗新工艺的技术领域。该空气纯化装置采用三个分子筛吸附器并联工作，分别用卸压阀、增压阀和自动控制阀与需纯化的空气和解吸再生用的污氮气管道相连，阀门按照工艺要求进行开关。采用三吸附器纯化工艺流程：第一台吸附器工作时，第二台吸附器加热解吸和冷吹降温，同时用第二台吸附器冷吹过程出口的温度较高的污氮气加热第三台吸附器，以充分利用分子筛吸附器冷吹过程出口污氮气的余热。节能率达到50%～60%，从而可有效降低空气纯化装置的能耗。

Description

余热回收利用的三分子筛变温吸附空气纯化工艺及装置

技术领域

本发明属于空分装置节能降耗新工艺的技术领域，特别是提供了一种用于空分装置的具有余热回收利用功能的三分子筛吸附器变温吸附空气纯化工艺及装置。

背景技术

分子筛吸附器能高效地进行空气的纯化，近年在空分装置上得到了广泛地应用。分子筛吸附器的作用是清除空气中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物，以保证空分设备的安全运行。在吸附纯化循环中，当分子筛吸附饱和后，就失去了吸附的能力。这时分子筛需要经过解吸再生，把吸附质从吸附剂中解吸出来，以恢复分子筛的吸附能力，保证分子筛吸附器的再使用。在变温吸附分子筛吸附纯化装置中，分子筛一般在常温下吸附，在200℃～320℃解吸再生。

分子筛解吸再生过程是个吸热过程，需要热媒传递热量，从而达到一定的解吸再生温度。在空分装置上，一般采用空分装置放空的污氮气作为热媒。氮气经加热器加热后，进入分子筛吸附器并加热分子筛，使其解吸再生。空分装置中分子筛吸附空气纯化系统的加热器的能耗是空分系统能耗的一个主要组成部分，因此降低分子筛吸附器解吸再生的加热能耗是降低空分生产能耗的有效途径之一。

目前，空分装置中的分子筛纯化系统均设置两台分子筛吸附器，交替使用。当一台吸附工作时，另一台解吸再生。整个吸附和再生过程严格按照卸压、加热、冷吹、升压、切换、投入吸附工作的流程运行。需要纯化的空气进入吸附器后，在吸附器中除去CO₂和碳氢化合物。当分子筛吸附饱和后，污氮气经加热器加热后进入吸附器对分子筛进行解吸再生，同时另一个分子筛吸附器开始吸附工作(参见附图1)。

在解吸再生过程中，热氮气与分子筛之间发生传热和传质。分子筛吸收热氮气的热量，并把其内部已吸附的CO₂和碳氢化合物解吸出来，同时分子筛自身温度升高，储存了大量的热量。在加热解吸完成后的冷吹过程中，冷氮气将吸附器中的热量带出并放空排掉。如果把冷吹过程中出口放空的温度较高的氮气的全部或部分热量加以回收利用，用于下一只吸附器中的分子筛的加热过程，分子筛吸附器的再生能耗将大幅度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于空分装置的具有余热回收利用功能的三分子筛吸附器变温吸附空气纯化工艺及装置。采用此工艺流程，能够回收一台冷吹过程中吸附器出口污氮气的余热，用于另一台分子筛吸附器的加热过程，从而可以优化纯化系统，降低纯化系统的能耗。

本发明工艺是由目前的双吸附器纯化工艺流程改为三吸附器纯化工艺流程。第一台吸附器工作时，第二台吸附器加热解吸和冷吹降温，同时用第二台吸附器冷吹过程出口的温度较高的污氮气加热第三台吸附器，以充分利用分子筛吸附器冷吹过程出口污氮气的余热。系统运行时，将分子筛吸附器在冷吹过程中所排出温度较高的氮气的热量用于另一台分子筛吸附器的加热解吸过程中，以节省加热器的能量消耗。这样仅需在加热器中对污氮气补偿部分热量，就能满足分子筛吸附器的加热要求。

在传统的双吸附器分子筛空气纯化工艺中，分子筛吸附器一台吸附工作，一台解吸再生，再生吸附器冷吹过程出口的热氮气的热量无法利用。本发明所提出的三吸附器分子筛变温吸附空气纯化流程能够充分协调三个分子筛的工作时间，使每台吸附器冷吹过程出口的温度较高的氮气均能充分利用——加热另一台吸附器。

由于回收利用的氮气压力较低，不能满足解吸过程压降的需要，所以需提高冷吹过程出口氮气(回流氮气)的压力。本发明在回流氮气进入加热器再热前增加一台增压风机，以在不增加污氮气出空分塔的压力的同时，满足系统对压力的要求。

按照当前空分装置的运行参数，双吸附器纯化流程改为三吸附器纯化流程后，考虑增压风机的消耗后，可实现分子筛空气纯化系统节能50％～60％。

本发明的装置包括：分子筛吸附器、加热器、增压风机、自动控制阀、缓开自动控制阀、手动阀、增压阀、卸压阀、手动单向阀、三向阀、管道等。三个分子筛吸附器并联工作，分别用卸压阀、增压阀和自动控制阀与需纯化的空气和解吸再生用的污氮气管道相连，如图2所示。阀门按照工艺要求进行开关，以满足设计要求。

本发明的主要特点是吸附器冷吹时的出口氮气进入下一台需再生加热的吸附器，从而回收冷吹过程的余热，提高热利用效率。

图2中所示的三个分子筛吸附器共同工作，吸附器冷吹时出口的温度较高的氮气通过加热器补充部分热量后，进入下一台需加热的吸附器。循环工作过程如下：

1、当I号吸附器1吸附完毕，准备解吸再生时，II号吸附器2开始吸附工作。此时I号吸附器1等待III号吸附器3冷吹过程的开始。当III号吸附器3开始冷吹时，选择III吸附器3出口氮气温度较高的时段，将III号吸附器3出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的I号吸附器1。

2、当I号吸附器1加热完毕时，II号吸附器2继续吸附工作，III号吸附器3继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，I号吸附器1停车等待冷吹。

3、当II号吸附器2吸附完毕，准备解吸再生时，III号吸附器3开始吸附工作。此时II号吸附器2等待I号吸附器1冷吹过程的开始。当I号吸附器1开始冷吹时，选择I吸附器1出口氮气温度较高的时段，将I号吸附器1出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的II号吸附器2。

4、当II号吸附器2加热再生完毕时，III号吸附器3继续吸附工作，I号吸附器1继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，II号吸附器2停车等待冷吹。

5、当III号吸附器3吸附完毕，准备解吸再生时，I号吸附器1开始吸附工作。此时III号吸附器3等待II号吸附器2冷吹过程的开始。当II号吸附器2开始冷吹时，选择II吸附器2出口氮气温度较高的时段，将II号吸附器2出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的III号吸附器3。

6、当III号吸附器3加热再生完毕时，I号吸附器1继续吸附工作，II号吸附器2继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，III号吸附器3停车等待冷吹。一个循环完成，返回过程1。

本发明的优点在于：双吸附器纯化流程改为三吸附器纯化流程后，考虑增压风机的消耗后，可实现分子筛空气纯化系统节能50％～60％。

附图说明

图1是目前空气纯化工艺流程图。

图2是本发明的系统流程图。其中，I号分子筛吸附器1，II号分子筛吸附器2，III号分子筛吸附器3，加热器4、5、6，增压风机7；自动控制阀9、10、11、12、13、14、15、16、17、21、24、25、28、29、32；缓开自动控制阀8、39，手动阀18、19、20，增压阀2、26、30，卸压阀23、27、31，手动单向阀33、34、35，三向阀36、37、38。加热器用二备一，使用的加热器的入口和出口的手动阀门打开。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步的阐述，但本发明并不局限于此阐述。

在附图2中，需纯化的空气经空压机压缩后送入纯化系统。设I号分子筛吸附器1处于吸附状态，II号分子筛吸附器2冷吹结束开始升压，III号分子筛吸附器3加热解吸完毕停车等待冷吹。

1、吸附过程结束时，阀门14、25打开，II号分子筛吸附器2开始与I号分子筛吸附器1并行工作。此时风机停止运行，阀门状态为：11、14、21、25开，8、9、10、12、13、15、16、17、22、23、24、26、27、28、29、30、31、32、39关，三向阀36、37指向放空挡，三向阀38指向回流挡。

2、并行过程结束时，阀门11、21关闭，阀门23打开，三向阀36保持在放空挡，I号分子筛吸附器1开始卸压。卸压过程结束时，阀门23关闭，等待III号分子筛吸附器3冷吹过程的开始。当III号分子筛吸附器3冷吹开始时，阀门9、24、16、32打开，风机7启动，阀门8缓开，缓开后自动调节。此时III号分子筛吸附器3冷吹出口的氮体经过阀门32，三向阀38进入风机7增压，然后进入加热器补充热量，再通过阀门9进入I号分子筛吸附器1，最后通过阀门24，三向阀36放空。当需要加热时，加热器启动。加热过程结束时，加热器停止，阀门9、24关闭，三向阀36指向回流挡，三向阀38指向放空挡，风机暂停。III号分子筛吸附器3的冷吹过程结束时，阀门16关闭，阀门8缓关，阀门30打开，III号分子筛吸附器3升压开始。III号分子筛吸附器3升压过程结束时，阀门30关闭，阀门17，29打开，III号分子筛吸附器3开始与II号分子筛吸附器2并行工作。

3、并行过程结束时，阀门14、25关闭，阀门27打开，三向阀37保持在放空挡，II号分子筛吸附器2开始卸压。卸压过程结束时，阀门27关闭，等待I号分子筛吸附器1冷吹过程的开始。当I号分子筛吸附器1冷吹开始时，阀门12、28、10、24打开，风机7启动，阀门8缓开，缓开后自动调节。此时I号分子筛吸附器1冷吹出口的氮体经过阀门24，三向阀36进入风机7增压，然后进入加热器补充热量，再通过阀门12进入II号分子筛吸附器2，最后通过阀门28，三向阀37放空。当需要加热时，加热器启动。加热过程结束时，加热器停止，阀门12、28关闭，三向阀37指向回流挡，三向阀36指向放空挡，风机暂停。I号分子筛吸附器1的冷吹过程结束时，阀门10关闭，阀门8缓关，阀门22打开，I号分子筛吸附器1升压开始。I号分子筛吸附器1升压过程结束时，阀门22关闭，阀门11、21打开，I号分子筛吸附器1开始与III号分子筛吸附器3并行工作。

4、并行过程结束时，阀门17、29关闭，阀门31打开，三向阀38保持在放空挡，III号分子筛吸附器3开始卸压。卸压过程结束时，阀门31关闭，等待II号分子筛吸附器2冷吹过程开始。当II号分子筛吸附器2冷吹开始时，阀门15、32、13、28打开，风机7启动，阀门8缓开，缓开后自动调节。此时II号分子筛吸附器2冷吹出口的氮气经过阀门28，三向阀37进入风机7增压，然后进入加热器补充热量，再通过阀门15进入II号分子筛吸附器2，最后通过阀门28，三向阀37放空。当需要加热时，加热器启动。加热过程结束时，加热器停止，阀门15、32关闭，三向阀38指向回流挡，三向阀37指向放空挡，风机暂停。II号分子筛吸附器2的冷吹过程结束时，阀门13关闭，阀门8缓关，阀门26打开，II号分子筛吸附器2升压开始。II号分子筛吸附器2升压过程结束，阀门26关闭，阀门14、25打开，II号分子筛吸附器2开始与I号分子筛吸附器1并行工作。

一个循环完成，进入过程2。

Claims

1.一种余热回收利用的三分子筛变温吸附空气纯化工艺，采用三吸附器纯化工艺流程：第一台吸附器工作时，第二台吸附器加热解吸和冷吹降温，同时用第二台吸附器冷吹过程出口的温度较高的污氮气加热第三台吸附器，以充分利用分子筛吸附器冷吹过程出口污氮气的余热；将分子筛吸附器在冷吹过程中所排出温度较高的氮气的热量用于另一台分子筛吸附器的加热解吸过程中，这样仅需在加热器中对污氮气补偿部分热量，就能满足分子筛吸附器的加热要求；三个分子筛吸附器共同工作，一台吸附器冷吹时出口的温度较高的氮气通过加热器补充部分热量后，进入下一台需加热的吸附器，循环工作过程如下：

a、当I号吸附器(1)吸附完毕，准备解吸再生时，II号吸附器(2)开始吸附工作，此时I号吸附器(1)等待III号吸附器(3)冷吹过程的开始，当III号吸附器(3)开始冷吹时，选择III吸附器(3)出口氮气温度较高的时段，将III号吸附器(3)出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的I号吸附器(1)；

b、当I号吸附器(1)加热完毕时，II号吸附器(2)继续吸附工作，III号吸附器(3)继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，I号吸附器(1)停车等待冷吹；

c、当II号吸附器(2)吸附完毕，准备解吸再生时，III号吸附器(3)开始吸附工作，此时II号吸附器(2)等待I号吸附器(1)冷吹过程的开始，当I号吸附器(1)开始冷吹时，选择I号吸附器(1)出口氮气温度较高的时段，将I号吸附器(1)出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的II号吸附器(2)；

d、当II号吸附器(2)加热再生完毕时，III号吸附器(3)继续吸附工作，I号吸附器(1)继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，II号吸附器(2)停车等待冷吹；

e、当III号吸附器(3)吸附完毕，准备解吸再生时，I号吸附器(1)开始吸附工作，此时III号吸附器(3)等待II号吸附器(2)冷吹过程的开始，当II号吸附器(2)开始冷吹时，选择II吸附器(2)出口氮气温度较高的时段，将II号吸附器(2)出口的氮气进入加热器，进行补热，然后进入需要加热再生的III号吸附器(3)；

f、当III号吸附器(3)加热再生完毕时，I号吸附器(1)继续吸附工作，II号吸附器(2)继续冷吹，冷吹出口的氮气直接放空，III号吸附器(3)停车等待冷吹，一个循环完成。

2、一种实现权利要求1所述工艺的空气纯化装置，包括：分子筛吸附器、加热器、增压风机、自动控制阀、缓开自动控制阀、手动阀、增压阀、卸压阀、手动单向阀、三向阀、管道；增压风机(7)连接I吸附器、II号吸附器和III号吸附器的污氮气出口管和加热器气体入口管；其特征在于，该空气纯化装置采用三个分子筛吸附器并联工作，分别用卸压阀、增压阀和自动控制阀与需纯化的空气和解吸再生用的污氮气管道相连，阀门按照工艺要求进行开关。