CN101340969B - 用于制氧的变压吸附方法 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及大容量(例如，大于350吨O₂/天)真空压力吸附(VPSA)系统和方法，所述系统和方法采用包括四个床(42、44、46、48)、在任何给定时刻同时供给两个床的至少一个压缩机(36、38)、和单个真空泵(52)的单套装置。压缩机和真空泵可以在100％的时间被利用。避免了使用符合产品质量的气体进行清洗，预期具有O₂生产率的大约10-20％的改进和资本成本5-10％的减少。

Description

用于制氧的变压吸附方法

技术领域

本发明总体上涉及大生产量(例如，大于350吨/天O₂)真空压力吸附(VPSA)系统和方法，所述系统采用包括四个床、在任何给定时刻同时供给两个床的至少一个进料压缩机、和单个真空泵的单套装置。压缩机和真空泵可以在100％的时间被利用。避免了用于清洗的符合产品质量的气体的使用，预期具有O₂生产率的大约10-20％的改进和资本成本5-10％的减少。

背景技术

当前，从空气制氧使用真空变压吸附(VPSA)或变压吸附(PSA)系统技术。这些系统通常具有小于200吨O₂每天的生产量。当前，在将VPSA或PSA系统从空气制氧的生产量从这种小规模(小于200吨O₂每天)扩展到大规模(大约350吨O₂每天或更高)方面具有重建的兴趣。

在VPSA或PSA方法应用中，实现将O₂从进料混合物(例如，空气)分离需要的能量输入通过进料压缩机和真空泵作为机械功提供。该功的成本是VPSA或PSA方法的总体操作成本的重要部分。此外，当前VPSA或PSA技术与低温蒸馏相比仅对小规模应用是经济上有竞争力的。对大规模应用，为了使VPSA或PSA方法与低温蒸馏相比变得有成本竞争力，需要改进的循环来操作PSA或VPSA方法。

用于从空气制氧的两床真空变压吸附(VPSA)方法在授予Baksh等的美国专利号5,518,526和授予Smolarek等的美国专利号6,010,555中公开。美国专利号5,518,526和6,010,555采用同时均衡和排空步骤随后同时进行进料和产品增压步骤的VPSA方法。图1显示了Smolarek等的美国专利号6,010,555中公开的从空气制氧的VPSA循环。美国专利号5,518,526和6,010,555均用于小规模(＜200吨每天，(TPD))制氧。美国专利号5,518,526和6,010,555中的吸附和解吸压力的特征在于低的压力比和相对高的解吸压力值。使用美国专利号5,518,526和6,010,555的小规模(＜200TPD O₂)VPSA方法可以实现设备和操作成本的显著减少。

在希望大规模(例如，350吨O₂每天)制氧的应用中，使用四床VPSA方法。一种该VPSA方法在Smolarek等的美国专利号5,656,068中公开。美国专利号5,656,068中公开的四床VPSA方法操作为两对2床系统，称为2×2循环/系统。每对床以180°异相操作，且该两对床以半个循环的一半异相操作。在美国专利号5,656,068的VPSA方法中公开了两个压缩机(一个罗茨式或容积式和一个离心式)和两个真空泵(一个罗茨式或容积式和一个离心式)。该两个压缩机中的一个周期性地处于空闲或通风模式。在授予Doong的美国专利号5,997,612中公开了一种操作为两对吸附床的四床VPSA系统以生产大约100吨每天(TPD)的氧气。该VPSA方法包括两对床、中间存储箱(以收集顺流减压气体)、一个鼓风机和一对真空泵。与美国专利号5,656,068中公开的四个泵相比，Doong(美国专利号5,997,612)中公开的系统包括三个泵。此外，Doong(美国专利号5,997,612)中所示的系统用于小规模制氧(＜200吨每天)，而不是使用Smolarek等(美国专利号5,656,068)的双进料VPSA方法的大规模制氧。

因而，希望提供具有大规模制氧生产量(例如，大于350吨O₂每天)的成本效率高、高产能的四床VPSA方法和系统。

发明内容

本发明总体上涉及用于大规模制氧(例如，大于350吨/天O₂)的带有双进料口的四床VPSA系统和方法。本发明的系统包括采用三个泵(例如，两个压缩机和一个真空泵)而不是如美国专利号5,656,068中所公开的四个泵(例如，两个压缩机和两个真空泵)。本发明还想到使用具有压缩机和真空泵100％利用率同时允许两个床同时地接收进料气体的独特的四床VPSA循环。此外，在四床VPSA循环期间任何时刻，两个床同时地接收进料而另两个床处于再生/回流模式。

根据本发明提供的方法和系统具有多个优势。例如而不理解为限制，本发明的系统和方法可以包括：(1)连续的进料和产品制成步骤；(2)一个压缩机和一个真空泵的最小值；(3)压缩机和真空泵的100％利用率；(4)相对于现有技术方法，由于连续的进料和产品制成步骤而实现的较小产品存储/缓冲箱；(5)使用相同或不同压缩机(例如，离心式和罗茨式)以压缩VPSA方法的入口进料的可选方式；(6)清洗气体来自经历顺流减压步骤的另一床，且该清洗气体直接转到经历清洗步骤的另一床而不使用任何附加的存储箱；(7)夹在VPSA循环的排空步骤之间的清洗步骤(即，VPSA循环在清洗步骤前后均有排空步骤，以允许使用间隙气体直接清洗另一床(而不需要附加的存储箱)或避免使用符合产品质量的气体用于清洗；(8)在VPSA方法的快速循环浅吸附器中使用具有高内在吸附率和最优粒径以增加质量传送速率、高的O₂产品回收率、和低的床尺寸因子(BSF)的吸附剂；和/或(9)四床VPSA过程的步骤全部集成，使得所有床都没有空闲步骤。

因而，由于氧气在大规模(＞350吨/天)的基础上使用单套装置、少一个泵、较低的床尺寸因子生产，且避免使用符合产品质量的气体用于清洗，本发明的系统可提供O₂生产率/回收率的大约10-20％的改进和资本成本5-10％的减少。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优势，参见以下详细说明并结合附图，其中：

图1图示了在Smolarek等的美国专利号6,010,555中公开的用于从空气制氧的VPSA循环；

图2图示了根据本发明、使用两个压缩机来输送总体进料给双入口进料VPSA方法的四床方法的示意图；

图3显示了图2的双进料口四床VPSA方法的塔循环；

图4图示了根据本发明的可替换实施例、使用两个压缩机来输送总体进料给双入口进料VPSA方法的四床VPSA方法的示意图；

图5显示了图4的双进料口四床VPSA方法的塔循环；

图6图示了根据本发明、使用两个压缩机来输送总体进料给双入口进料VPSA方法的四床VPSA方法的可替换示意图；

图7显示了图6的双进料口四床VPSA方法的塔循环；

图8显示了图6的双进料口四床VPSA方法的可替换塔循环，其中该循环使用两个产品增压步骤和一个均衡步骤；和

图9显示了图6的双进料口四床VPSA方法的另一可替换塔循环，其中该循环使用八个步骤而不是十二个步骤。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及用于大规模(优选为大于350吨/天)制氧的真空变压吸附(VPSA)方法和装置。本发明包括采用四个吸附床、至少一个进料压缩机(优选为两个，例如，一个离心式和一个容积式如罗茨式)、和单个真空泵的系统和方法。在任何时刻，两个床同时地处于进料模式而另两个床处于再生/回流模式。这两个床的进料可以从分开的压缩机或从单个压缩机供应。在顺流减压步骤期间产生的气体可以作为清洗气体送给另一床，而不使用任何附加的存储箱。在任何给定时刻，仅一个床处于排空步骤，从而允许仅使用一个真空泵，这导致资本和操作成本的节省。排空步骤在清洗步骤前后进行。该操作模式允许VPSA循环中的灵活性，从而能够使用在另一床顺流减压期间获得的间隙气体，以直接地清洗床(而不使用附加的存储箱)或避免使用符合产品质量的气体用于清洗。

此外，根据本发明设置的四床VPSA方法的步骤完全集成，以便任何床都没有任何空闲步骤，即在VPSA循环中压缩机和真空泵具有100％利用率。

虽然不理解为限定，本发明的系统可以包括一些或所有以下有利特征。例如，本发明包括用于大规模制氧的单套四床VPSA方法而不是两套两床VPSA方法。结果，相对于两套两床VPSA方法而言，可以预期较低的资本成本和提高的方法性能，例如较高的O₂回收率。此外，由于新颖的四床VPSA循环，本发明的系统预期具有较少的杂质(例如，N₂)浓度锋面的扩散。这是由于在床再生期间相对于现有技术需要较少的清洗气体。在该循环中，连续的生产、进料和排空步骤允许压缩机/真空泵100％的利用率。本发明还设置为在VPSA循环期间任何时刻应用双进料口。此外，VPSA循环中逆流泄压步骤的引入可以允许一部分废气(在床再生期间获得)旁通真空泵，而不是如美国专利号5,656,068和6,010,555使废气通过真空泵。

本发明还包括用于回流的清洁气体。例如，最低O₂纯度的气体用于清洗，且最高O₂纯度的气体用于产品增压，即增加纯度的产品气体用于本发明VPSA循环中的清洗、均衡提高和产品增压，从而导致在将床联机制氧之前更尖的O₂浓度锋面或更好的床再生性。

相对于现有技术系统，由于在床-床均衡期间用于间隙气体回收的较高的压力梯度驱动力和VPSA循环的各个步骤的独特设置，可以预期本发明的进一步优势。

此外，由于在VPSA循环的均衡和进料增压步骤的重叠期间以吸附压力开始床的均衡，由床增压或在床增压期间可以有较少的进料给风。

在本发明中，所有的清洗气体可以来自从经历顺流减压步骤的另一床回收的间隙气体。此外，该清洗气体可直接用于经历清洗步骤的另一床，而不需要使用任何附加的存储箱(例如，美国专利号5,997,612)。清洗步骤夹在VPSA循环的排空步骤之间。更具体而言，VPSA循环在清洗步骤前后都有排空步骤，以允许使用问隙气体来直接清洗另一床，或避免使用符合产品质量的气体用于清洗，如美国专利号5,656,068和美国专利号6,010,555。

本发明的系统还提供使用相同或不同压缩机(例如，离心式和罗茨式或容积式)的可选性以压缩供给VPSA方法的入口进料和100％的利用率，即，在整个VPSA循环中没有压缩机卸载。

作为本发明的结果，由于在大规模(＞350吨/天)的基础上使用单套装置、少一个泵、较低的床尺寸因子(BSF)生产氧气，且避免使用符合产品质量的气体用于清洗，可提供O₂生产率或回收率的大约10-20％的改进和资本成本大约5-10％的减少。

现在将参见图2所示的四床VPSA系统、图3所示的四床VPSA循环、和表1所示的阀切换逻辑描述本发明。

图2所示的四床VPSA系统30包括四个吸附床42、44、46、48；24个开关阀(其中一些或全部可能有或可能没有流量控制)；两个进料压缩机36、38；一个真空压缩机52；用于进料32的进料口消音器/过滤器34；进料出口消音器/后冷却器40；真空出口消音器54和相关的管道和接头。参见图2和3以及表1，图示了本发明一个实施例的一个完整VPSA循环。在表1中，应当理解的是，取决于阀是开关阀还是用于调节希望流量的流量控制阀，“C”表示阀处于闭合位置，而“O”表示阀处于完全打开或部分打开位置。本领域技术人员应当理解，流量控制阀将在产品增压(例如，图3的步骤3)期间使用。表1：用于十二步骤四床氧气VPSA方法的阀起动顺序。

步骤

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

床1

AD1

AD2

AD3/PPP

AD4

ED

PPG

BD

EV1

PG/EV2

EV3

EU/FP

PP/FP

床2

EV3

EU/FP

PP/FP

AD1

AD2

AD3/PPP

AD4

ED

PPG

BD

EV1

PG/EV2

床3

BD

EV1

PG/EV2

EV3

EU/FP

PP/FP

AD1

AD2

AD3/PPP

AD4

ED

PPG

床4

AD4

ED

PPG

BD

EV1

PG/EV2

EV3

EU/FP

PP/FP

AD1

AD2

AD3/PPP

阀编号

1

O

C

C

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2

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7

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9

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20

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24

O

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C

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O

O

O

AD：吸附/产品生产     PG：接收清洗ED：均衡减压          EU：均衡加压PPG：提供清洗气体     PP：产品增压PPP：提供产品增压气体 FP：进料增压BD：泄压EV：排空

步骤1

在步骤1开始时，床42(B1)中的压力处于吸附压力。阀1是打开的，以允许将进料气体进入床42的底部，阀21是打开的以允许产品50离开床42的顶部。进料气体从压缩机38(C1)供应给床1。阀11是打开的，以允许床44(B2)通过压缩机52(C3)向真空出口消音器54排出废气56。阀13打开以允许床46(B3)泄压给大气。阀8是打开的以允许进料气体进入床48(B4)的底部，阀24是打开的以允许产品50离开床48的顶部。进料气体从压缩机36(C2)供应给床48。

步骤2

在步骤2开始时，阀1关闭且阀2打开，以允许将进料气体从压缩机36(C2)进入床42的底部。阀21保持打开以允许继续从床42生产产品。阀11关闭且阀3打开，以停止床44的排空且允许进料气体从压缩机38(C1)进入床44的底部。同样，阀18和20打开，以允许均衡气体从床44流入床44的顶部。阀13关闭且阀14打开，以开始床46(B3)的排空。

步骤3

在步骤3开始时，阀2和21保持打开以允许继续从床42生产产品50。阀3保持打开且允许进料气体继续从压缩机38进入床44的底部。阀22打开，以允许产品增压气体进入床44的顶部。阀20保持打开且阀19打开，以允许清洗气体从床48流向床46。阀14保持打开，以继续床46的排空。阀18关闭。

步骤4

在步骤4开始时，阀2和21保持打开以允许继续从床42生产产品。阀3和22保持打开且在床44中开始产品生产。阀14保持打开，以继续床46的排空。阀16打开，以允许床48泄压给大气。

步骤5

在步骤5开始时，阀17和19打开，以允许均衡气体从床42流入床46的顶部。阀3关闭且阀4打开，以允许进料气体从压缩机36(C2)进入床44的底部。阀22保持打开，以允许继续从床44生产产品。阀13关闭且阀5打开，以停止床46的排空且允许进料气体从压缩机38(C1)进入床46的底部。阀16关闭且阀15打开以开始床48的排空。

步骤6

在步骤6开始时，阀17保持打开且阀20打开，以允许清洗气体从床42流向床48。阀4和22保持打开，以允许继续从床44生产产品。阀5保持打开且允许进料气体继续从压缩机38(C1)进入床46的底部。阀23打开，以允许产品增压气体进入床46的顶部。阀15保持打开，以继续床48的排空同时它接收清洗气体。阀19关闭。

步骤7

在步骤7开始时，阀9打开，以允许床42泄压给大气。阀4和22保持打开，以允许继续从床44生产产品。阀5和23保持打开且开始在床46中生产产品。阀15保持打开以继续床48的排空。

步骤8

在步骤8开始时，阀9关闭且阀10打开，以开始床42的排空。阀18和20打开，以允许均衡气体从床44流入床48的顶部。阀5关闭且阀6打开，以允许进料气体从压缩机36(C2)进入床46的底部。阀23保持打开以允许继续从床46生产产品。阀15关闭且阀7打开，以停止床48的排空并允许进料气体从压缩机38(C1)进入床48的底部。

步骤9

在步骤9开始时，阀10保持打开，以继续床42的排空，同时接收清洗气体。阀18保持打开且阀17打开，以允许均衡气体从床44流入床42。阀6和23保持打开以允许继续从床46生产产品。阀7保持打开且允许进料气体继续从压缩机38(C1)进入床48的底部。阀24打开以允许产品增压气体进入床48的顶部。阀20关闭。

步骤10

在步骤10开始时，阀10保持打开，以继续床42的排空。阀12打开，以允许床44泄压给大气。阀6和23保持打开以允许继续从床46生产产品。阀7和24保持打开且开始在床48中生产产品。

步骤11

在步骤11开始时，阀10关闭且阀1打开，以停止床42的排空且允许进料气体从压缩机38(C1)进入床42的底部。阀12关闭且阀11打开，以开始床44的排空。阀17和19打开，以允许均衡气体从床46流入床42的顶部。阀7关闭且阀8打开，以允许进料气体从压缩机36(C2)进入床48的底部。阀24保持打开以允许继续从床48生产产品。

步骤12

在步骤12开始时，阀1保持打开且允许进料气体继续从压缩机38(C1)进入床42的底部。阀21打开，以允许产品增压气体进入床42的顶部。阀11保持打开，以继续床44的排空，同时接收清洗气体。阀19保持打开且阀18打开，以允许清洗气体从床46流入床44。阀8和24保持打开以允许继续从床48生产产品。阀17关闭。

上述实施例采用两个压缩机来输送进料气体给VPSA容器。在优选实施例中，一个罗茨式压缩机38(C1或压缩机1)和一个离心式压缩机36(C2或压缩机2)将总进料流输送给集成的四床VPSA方法。此外，在大规模O₂生产的优选操作模式中，在VPSA方法中使用径向床。径向床吸附器的附加细节由Ackley等的美国专利号6,506,234B1给出。

参见图3中的床42(B1)步骤，如果使用两个不同的压缩机(例如，罗茨式和离心式)，那么在优选操作模式中，在步骤1、11和12中使用罗茨式压缩机，而在步骤2、3和4中使用离心式压缩机。参见图2和3，在VPSA循环的步骤1期间，总进料(双进料VPSA方法)的一部分经由罗茨式压缩机输送给床42(B1)，而离心式压缩机将总进料的另一部分输送给床48(B4)。也注意到，在任何时刻，两个床同时地接收进料气体，且连续的产品制造在整个VPSA方法中存在。

表2给出了在床中使用氮气选择性吸附剂的操作条件和VPSA方法性能的示例。在该表中，符号具有以下的意义：TPD＝吨(20001b)氧气每天，kPa＝1000Pa＝压力的S.I.单位(1.0atm.＝101.323kPa)，s＝时间单位秒。

此外，表2中的氮气平衡选择性吸附剂是高度交换的Li-X(＞95％Li)，如Chao等的美国专利号5,413,625和4,859,217公开的，这两个专利均通过参考在与此文相一致的程度上引入。虽然在这些专利中公开了高度交换的LiX吸附剂，应当理解，吸附剂的层或吸附剂的混合物可以使用且可以优选地在VPSA方法的每个床使用(例如，当在空气中有湿气时)，而不偏离本发明的范围。用于本发明的各种吸附剂的代表性示例包括但不限于美国专利号6,027,548和6,790,260B2中公开的这些吸附剂，这两个专利均通过参考在与此文相一致的程度上引入。也参见美国专利号6,743,745B2；6,506,234B1；6,500,234；6,471,748B1；和6,780,806。吸附剂可以为吸附剂的混合物或分层的吸附剂。优选地，不管它是单种吸附剂、吸附剂的混合物还是吸附剂的层，相同的吸附剂在所有四个床中相同。表2：大规模(＞350TPD)O₂生产示例(图2-3，操作条件和性能)。四个床中的每个包括用于N₂去除的Li-X沸石。下面显示的结果从使用包括0.934％Ar、78.12％N₂和20.95％O₂的干空气的VPSA仿真和试验工场实验获得。每个床中的吸附剂：           Li-X进料组分(N₂/O₂/Ar)：         78.12％/20.95％O₂/0.934％高压：                       160kPa低压：                       30kPa总进料：                     2.85×10⁶NCFH生产的O₂数量：               3.58×10⁵NCFH(355TPD O₂)氧气纯度：                   90％总氧气回收率：               60％床尺寸因子：                 350lb/TPD O₂温度：                       300K

上述VPSA方法集中于使用四VPSA床方法和系统从空气制氧。在本发明的可替换实施例中，可以使用小于四个(例如，三个床)或大于四个床。在这种实施例中，需要开发合适的三床VPSA循环或大于4床的VPSA循环，以包含本发明的前述特征。此外，取决于在VPSA循环中采用三个还是大于4个床，在这种可替换实施例中，可能需要或可能不需要附加的存储箱，以包含本发明的特征。

此外，每个床可以可替换地包括一层或几层吸附剂，或吸附剂的混合物。也可以在用于从空气制氧的VPSA方法中使用各种吸附剂。优选的合适的吸附剂和吸附剂的分层的细节在美国专利号5,413,625；4,859,217；6,027,548；和6,790,260B2中公开。在其它操作模式中，其它吸附剂可以用于本发明的前述VPSA方法。例如，5A、13X、CaX、和混合阳离子沸石可以用作VPSA方法的N₂选择性吸附剂。

在优选的和可替换的操作模式中，预净化器部分位于每个沸石床的上游端，以从进料空气去除水和二氧化碳。例如但不理解为限定，氧化铝或氧化硅层优选地位于每个吸附床的上游，以在通到VPSA方法的N₂选择性吸附剂之前从进料空气去除水和二氧化碳。

选择的吸附器结构(例如，径向、轴向、结构化，等)和吸附剂的选择和布置将基于进料流、进料源的类型、和VPSA方法操作条件确定。在可替换操作模式中，例如，轴向床可用于VPSA方法。优选为所有的床具有相同的结构。

在又一可替换操作模式中，一个压缩机(而不是两个压缩机)可以用于将总进料输送给双进口VPSA方法(例如，附图所示的VPSA方法)。

在一些操作模式中，最高的吸附压力为100kPA到大约2000kPA的范围，且最低的解吸附压力为20kPa到大约100kPa的范围。此外，对给定的吸附剂，在实现VPSA方法中的高O₂回收率和低功率消耗之间的最优化将确定最优的吸附和解吸压力。氧气产品的平均纯度为85％氧气到大约95％氧气的范围，对应于大约55-75％的预期O₂回收率。最低的O₂回收率预期对应于最高的O₂纯度，反之亦然。

在可替换操作模式中，可以使用其它方法和循环。例如，图4显示了四床系统60和方法的可替换示意图，四床系统60和方法使用两个压缩机36、38将总进料32输送给双入口进料VPSA方法，且使用两个压缩机52、53从VPSA方法排空废气56。在优选的操作模式中，仅使用一个真空鼓风机52(优选地，罗茨式鼓风机)来排空废气。在该可替换模式中，第一真空鼓风机52用于排空废气(优选为罗茨式鼓风机)，随后用第二真空鼓风机53(优选为离心式鼓风机)排空。图5显示了图4的双进料口四床VPSA方法的塔循环。在该可替换模式中，在VPSA方法中采用从另一床在解吸步骤(例如，在图5中床42(B1)经历AD4，同时供应清洗气体给另一床)获得的额外的清洗气体。此外，在该可替换模式中的均衡减压步骤与逆流排空叠加，以加快床的减压。同样，在提供清洗步骤期间(例如，在图5的步骤6中床42(B1))，床同时经历逆流排空。

参见图4和5以及表3，图示了本发明一个实施例的一个完整VPSA循环。在表3中，AD表示吸附/产品生产；ED：均衡减压；PPG：提供清洗气体；PPP：提供产品增压气体；BD：泄压；PG：接收清洗；EU：均衡加压(EU与EQUP相同)；PP：产品增压；FP：进料增压；RC：罗茨式压缩机；CC：离心式压缩机；RV：罗茨式真空；CV：离心式真空；EV：排空。如上文关于表1所述，应当理解的是，在表3中，取决于阀是开关阀还是用于调节希望流量的流量控制阀，“C”表示阀处于闭合位置，而“O”表示阀处于打开或部分打开位置。本领域技术人员应当理解，流量控制阀将在产品增压(例如，图5的步骤3)期间使用。表3：用于十二步骤四床氧气VPSA方法的阀起动顺序。

步骤

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

床1

AD1(RC)

AD2(CC)

AD3(CC)/PPP

AD4(CC)/PPG

ED/EV1(RV)

PPG/EV2(RV)

EV3(RV)

EV4(CV)

PG1/EV5(CV)

PG2/EV6(CV)

EU/FP(RC)

PP/FP(RC)

床2

PG2/EV6(CV)

EU/FP(RC)

PP/FP(RC)

AD1(RC)

AD2(CC)

AD3(CC)/PPP

AD4(CC)/PPG

ED/EV1(RV)

PPG/EV2(RV)

EV3(RV)

EV4(CV)

PG1/EV5(CV)

床3

EV3(RV)

EV4(CV)

PG1/EV5(CV)

PG2/EV6(CV)

EU/FP(RC)

PP/FP((RC)

AD1(RC)

AD2(CC)

AD3(CC)/PPP

AD4(CC)/PPG

ED/EV1(RV)

PPG/EV2(RV)

床4

AD4(CC)/PPG

ED/EV1(RV)

PPG/EV2(RV)

EV3(RV)

EV4(CV)

PG1/EV5(CV)

PG2/EV6(CV)

EU/FP(RC)

PP/FP(RC)

AD1(RC)

AD2(CC)

AD3(CC)/PPP

阀编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

O

C

C

C

C

C

C

C

C

C

O

O

2

C

O

O

O

C

C

C

C

C

C

C

C

3

C

O

O

O

C

C

C

C

C

C

C

C

4

C

C

C

C

O

O

O

C

C

C

C

C

5

C

C

C

C

O

O

O

C

C

C

C

C

6

C

C

C

C

C

C

C

O

O

O

C

C

7

C

C

C

C

C

C

C

O

O

O

C

C

8

O

C

C

C

C

C

C

C

C

C

O

O

9

C

C

C

C

O

C

O

C

C

C

C

C

10

C

C

C

C

C

C

C

O

O

O

C

C

11

O

C

C

C

C

C

C

C

C

C

O

O

12

C

C

C

C

C

C

C

O

O

O

C

C

13

O

C

C

C

C

C

C

C

C

C

O

O

14

C

O

O

O

C

C

C

C

C

C

C

C

15

C

C

C

C

O

O

O

C

C

C

C

C

16

C

O

O

O

C

C

C

C

C

C

C

C

17

C

C

C

O

O

O

C

C

O

O

O

C

18

O

O

C

C

C

C

O

O

O

C

C

O

19

C

C

O

O

O

C

C

C

C

O

O

O

20

O

O

O

C

C

O

O

O

C

C

C

C

21

O

O

O

O

C

C

C

C

C

C

C

O

22

C

C

O

O

O

O

O

C

C

C

C

C

23

C

C

C

C

C

O

O

O

O

O

C

C

24

O

C

C

C

C

C

C

C

O

O

O

O

合适的吸附剂、这些吸附剂的混合物和分层在上文讨论。

图6图示了根据本发明、使用两个压缩机36、38来输送总进料给双入口进料VPSA方法的四床系统70和方法的另一可替换示意图。图7显示了图6的双进料口四床VPSA方法的塔循环。在上文所述的优选操作模式(图2和3)中，八个废气阀用于允许泄压步骤(旁通真空鼓风机)，随后使用真空鼓风机进行排空步骤。在图6和7所示的可替换操作模式中，仅需要四个废气阀。结果，所有的废气通过真空鼓风机排空。在图2和3所示的优选模式中，均衡不如图6和7所示的可替换模式中那样与排空叠加。此外，在图2和3所示的实施例中，从顺流减压气体提供清洗，而在图6和7所示的实施例中，从处于生产中的床提供清洗。另外，在图2和3所示的优选实施例中，在清洗步骤之后有排空步骤，而在图6和7所示的可替换实施例中，在清洗步骤之后没有排空步骤。

图6的双进料口四床VPSA方法的额外可替换塔循环在图8和9中显示。具体而言，图8所示的循环使用两个产品增压步骤和一个均衡步骤，而图9所示的循环使用八个步骤而不是十二个步骤。图2、4和6所示的双进料口四床VPSA方法的所示塔循环和相关的塔循环以从最优选的(图2-3)到最不优选的(图6和9)的顺序设置。此外，对于图6的VPSA方法和相关塔循环(图7-9)，塔循环以从最优选到最不优选的顺序设置，即，图7中的循环优于图8所示的循环，且图8所示的循环优于图9所示的循环。这是由于使用图8所示的循环，VPSA O₂回收率和O₂生产率比使用图7所示的循环更少；使用图9所示的循环，预计O₂回收率相对于使用图8所示的循环更少。

图7-9所示的图6的双进料口四床VPSA方法的塔循环预计在床尺寸因子和功率消耗方面不同，图7所示的循环比图8所示的循环更有效率，图8所示的循环比图9所示的循环更有效率。因而，由于所示的循环的效率预计随附图编号的增加而降低，就BSF和功率消耗而言，图9最高，图8次之，图7再次之。

在上述VPSA方法和系统中，可设想到使用空气作为进料气体以大规模地回收氧气。由于氧气可以使用单套、少一个泵(即，比使用2个进料和2个真空泵少一个)、较低的床尺寸因子大规模(＞350吨/天)生产，且避免使用用于清洗的符合产品质量的气体，预期具有O₂生产率的大约10-20％的改进和资本成本5-10％的减少。

本发明的系统和方法对空气之外的其它进料气流同样有效，例如含有稀有气体(例如，He、Ar、Ne、Kr)的进料气流或含有H₂的进料气流，例如从甲烷气重整反应或碳氢化合物的部分氧化等获得的进料气流。例如但不理解为限定，来自从甲烷气重整产生的合成气的含有H₂的进料混合物适于用于本发明。在该实施例中，可以回收氢气。可以预期，该方法和系统可以非常容易地适于希望的产品或副产品的生产。例如，O₂和N₂或H₂和CO的副产品可以容易地分别从空气进料和含有H₂的进料实现。本领域技术人员将认识到，将基于想要的应用，来选择对吸附剂、预净化器和方法操作条件的适当改进。

上述系统和方法已考虑使用VPSA方法从空气生产氧气。在本发明的可替换实施例中，可以采用变压吸附(PSA)，其中操作压力高于环境压力，因而可以不需要真空泵。在其它实施例中，可能希望一个以上的真空泵。

本领域技术人员应当理解，可以容易地采用上述具体实施例作为修改或设计其它结构的基础，以实现本发明相同的目的。本领域技术人员也应当认识到，这种等价结构并不偏离由所附权利要求书阐述的本发明的实质和范围。

Claims (13)

1.一种真空变压吸附(VPSA)方法，用于分离含有至少一种可吸附性较强的成分和至少一种可吸附性较弱的产品气体成分的进料供应气体，所述方法包括：将进料供应气体连续地供应到两个吸附床中每个的进料输入端中，每个床包含优先地吸附所述可吸附性较强的成分的至少一种吸附剂，且从吸附床的出口端提取所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分；在由多个步骤形成的循环中进行生产，在这些步骤中两个床同时地处于进料模式而另两个床处于再生/回流模式，其中在所述方法期间任何时刻，仅一个床处于排空步骤。

2.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述VPSA方法包括单套形式的四个床。

3.根据权利要求2所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述由步骤形成的循环包括十二步骤循环。

4.根据权利要求3所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述排空步骤在清洗步骤前后进行。

5.根据权利要求4所述的真空变压吸附方法，其特征在于，在床的顺流减压期间而不是床经历排空期间获得的间隙气体适于用作清洗气体。

6.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较强的成分包括氮气。

7.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分包括氧气。

8.根据权利要求7所述的真空变压吸附方法，其特征在于，氧气具有85-95％氧气的平均纯度。

9.根据权利要求7所述的真空变压吸附方法，其特征在于，氧气对应于55-75％的回收率。

10.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述吸附剂包括Li-X沸石、5A、13X、CaX、和混合阳离子沸石中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述至少一种可吸附性较弱的产品气体成分包括氢气。

12.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，最高的吸附压力为100kPa到2000kPa的范围，且最低的解吸附压力为20kPa到100kPa的范围。

13.根据权利要求1所述的真空变压吸附方法，其特征在于，所述方法为四床系统中的十二步骤循环。

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