CN101531342A - 五床变压吸附制造氧气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种五床变压吸附分离氧气的方法和装置，本发明将五台吸附床联用进行变压吸附，在一个吸附周期内，每台吸附床都进行吸附、顺向放压、抽真空、清洗、均压和充压六个步骤，各吸附床依次相差一个吸附步骤，每个操作步骤都有两台吸附床进行吸附步骤，两台吸附床进行抽真空步骤。本发明的五个吸附床相互关联，利用处于较高压力状态吸附床的顺向放压气体对处于低压状态的吸附床进行均压；利用吸附步骤的产品气进行清洗；利用产品气和大气同时进行充压。本发明可从空气中分离纯度为60－95％(体积百分比)氧气，最大氧气产量可以达到7000Nm3/h以上，解决了原有变压吸附分离氧气工艺氧气产量低、单位产量的吸附剂利用率偏低，设备造价高等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及利用变压吸附法制备氧气的技术，特别是涉及一种五床变压吸附制造氧气的装置和方法。
背景技术
变压吸附法(PSA)是一种利用多孔固体吸附剂在一定压力、温度下，对混合气体中不同组分具有选择性吸附的特性，实现混合气体的分离的技术。根据需要分离的产品在吸附床中处于的吸附或非吸附状态，可分为吸附相产品和非吸附性产品。
目前，现有的变压吸附空气分离氧气的流程主要以两床流程为主，其优点是设备造价低；但缺点明显：如产品压力波动大，不能连续造气；鼓风机不能连续工作；当分子筛确定，分子筛体积一定的情况下，由于为了保证空塔流速，分子筛堆高一般在1200～1500mm，所以吸附床的直径较大(两床最大规模产气量为2500Nm3/h时，相应的吸附床直径为5200mm)，显然，两床工艺由于吸附床直径过大，还限制了装置规模的大型化。
也有使用三床流程分离氧气的研究和实践，三床流程的优点主要是：鼓风机可以连续工作；设备可以连续产氧；能够利用吸附床负压直接从大气进空气，鼓风机风量可以降低；而且由于鼓风机气量减少，在设定的空塔流速下，吸附床的直径也相应减少，因此三床工艺的规模可以提高至3500Nm3/h(此时吸附床直径为5200mm)，但其单位产量的吸附剂利用率仍然偏低。
发明内容
本发明的目的是提供一种五床变压吸附分离氧气的方法和装置。
本发明的五床变压吸附方法是利用五个吸附床，鼓风机和真空泵进行变压吸附，各吸附床相互关联，并都分别与鼓风机、真空泵、大气和产品罐连接(如图1所示)，在变压吸附的一个周期内(即从吸附开始，经过顺向放压、抽真空(真空解吸)、清洗、均压，最后充压完毕结束)，每台吸附床都经历吸附、顺向放压(简称顺放)、抽真空(真空解吸)、清洗、均压和充压六个步骤，各吸附床依次相差一个吸附步骤，在进行各个步骤时，都保持两台床进行吸附步骤，两台床进行抽真空步骤。所述吸附步骤吸附床的压力为10～40Kpa，吸附完毕后，顺向放压至吸附床的压力降为5～20Kpa，然后进行抽真空，当抽真空步骤进行到吸附床压力为-50～-60Kpa时，同时开始进行清洗步骤，清洗时间设定为2～50s；清洗完成后，开始进行均压步骤(清洗和均压的同时还进行抽真空)，使压力升高至-40～-10Kpa；随后充压，使吸附床的压力增加到10～40Kpa，开始下一变压吸附循环。
本发明所述的变压吸附制氧的过程为：原料空气经过滤消音器除去机械杂质，经鼓风机增压后从吸附床进料端进入吸附床，空气中的水份和二氧化碳优先被分子筛吸附，然后氮气也被吸附，氧气在气相中富集，并从吸附器出口端排出，使氧气和氮气分离获得高纯度的氧气。之后用真空泵对吸附床进行抽真空，使吸附剂再生。
其中，所述吸附床的吸附剂包括三氧化二铝、13X分子筛、锂分子筛、沸石分子筛等，优选沸石分子筛。
所述吸附(a1，a2，a3，a4)为：空气经鼓风机增压至压力10～40KPa，由吸附床的进料端进入吸附床，吸附床的压力为10～40Kpa，水份和二氧化碳优先被分子筛吸附，然后氮气也被吸附，富集的氧气从吸附床出口端排出。
所述顺向放压步骤(a5)为：当分子筛吸附氮气接近饱和时，停止向吸附床进空气，且吸附床停止产氧，从出口端放气，使高压状态的吸附床压力降低至5～20Kpa。
所述抽真空步骤(a6，a7)为：将吸附床抽真空至压力至-50～-60Kpa，使分子筛吸附的氮气解吸，再生吸附床中的分子筛。
所述清洗步骤(a8)为：当吸附床压力为-50～-60Kpa时，同时开始清洗步骤，利用制得的氧气产品对吸附床进行逆向(丛吸附床的出口端进气，从进口端流出)吹扫，清洗再生的吸附剂；清洗时间设定为2～50秒，清洗时，吸附床的压力基本保持不变。
所述均压步骤(a9)为：当清洗步骤结束后，将清洗完成后的吸附床与高压吸附床连通，利用高压吸附床的压力使之升压，使压力升高至-40～-10Kpa。
所述充压步骤(a10)为：均压步骤完成后，大气进气，同时用产品氧气对吸附床充压，使压力升高到吸附压力(10～40KPa)，充压步骤完成，开始进入下一个变压吸附周期的循环。
其特点是在清洗和均压步骤时，仍然在进行抽真空；清洗的同时仍进行抽真空，吸附床的压力基本保持不变；五个吸附床相互连接，将顺向放压的气体用于均压，以达到既可以利用顺序放压气的压力升压，又可以利用顺放气体作为原料，回收其中的氧气，提高产品收率的目的；利用产品气清洗吸附床，以最大限度地再生吸附剂；吸附床的充压步骤利用产品气和大气进行充压，产品气既能够使压力升高，又不损耗吸附剂的容量，而利用低压从大气进气可降低鼓风机的风量，节约成本。
基于五床(A，B，C，D，E床)的相互关联的关系，根据各吸附床相互关系在一个吸附周期中的变化，可将一个吸附周期(即完成吸附、顺向放压、抽真空、清洗、均压和充压六个步骤)分成10个分步骤(a1～a10)来详述各吸附床的状态变化，以下根据气体的流向说明各个分步骤(见图2)：
a1：A和C床吸附，空气由鼓风机增压从吸附床的进料端进入，得到的氧气从出料端流出，进入氧气产品罐；E床与D床联通，E床顺放流出的气体进入D床，D床均压(同时抽真空)；B床进行抽真空，再生吸附剂，抽出的气体进入废气罐；
a2：A和C床仍然进行吸附步骤，A床部分产品气流向B床，对B床进行清洗(同时抽真空)，D床进行大气进气和产品气充压，E床进行抽真空；
a3：D床开始吸附，A床仍处于吸附阶段，B床和E床进行抽真空，C床进行顺向放压，流出的气体进入B床，B床均压(同时抽真空)；
a4：A床和D床处于吸附阶段，A床部分产品气进入B床充压，B床同时从大气进气充压，D床部分产品气进入E床，清洗E床(同时抽真空)，C床处于抽真空阶段；
a5：A床进入顺向放压步骤，与E床连通，顺向放压气进入E床进行均压，E床进行均压步骤(同时抽真空)，B床开始吸附，C床处于抽真空步骤，D床仍然吸附；
a6：A床开始抽真空，B床吸附，部分产品气进入C床，清洗C床(同时抽真空)，D床仍然进行吸附，部分产品气进入E床充压，同时E床自大气中进气充压；
a7：A床仍然进行抽真空，B床和E床吸附，C床与D床连通，D床顺向放压，顺向放压气进入C床均压(同时抽真空)；
a8：B床吸附，部分产品气流入A床，清洗A床(同时抽真空)，E床吸附，部分产品气流入C床充压，同时C床从大气进气充压，D床开始抽真空；
a9：A床与B床连通，B床顺向放压，气体流入A床，A床进入均压阶段(同时抽真空)，C床和E床吸附，D床抽真空；
a10：C床吸附，部分产品气进入A床充压，同时A床从大气进气充压，B床开始抽真空，E床吸附，部分产品气进入D床，清洗D床(同时抽真空)。
如此往复循环，在整个周期中，鼓风机和真空泵都连续工作，连续生产氧气，本发明的五床变压吸附装置的产氧规模可以达到7000Nm3/h以上(当吸附床直径为5200mm时)。上述分步骤以及相应的吸附步骤的操作顺序见表1所示。
表1 五床变压吸附各步骤循环表
如无特别说明，本发明所用的压力都为本领域常用的表压。
一般，利用顺序放压气进行均压，利用产品气进行清洗，以及利用产品气进行充压时，优先选择邻近的吸附床连通。
为实现本发明所述的五床变压吸附方法，本发明人提供了一种五床变压吸附装置。该装置主要由五个吸附床，鼓风机和真空泵组成，还可以包括氧气产品罐。其中，各吸附床进口端相互连接，并分别与大气、真空泵、鼓风机连接；吸附床的出口端相互连接，并与产品罐连接，考虑到本发明需要同时利用顺向放压气和产品气，由多条(大于1条)线路将各吸附床相互连接后再与氧气罐连接，典型的五床变压吸附装置的连接见图1，包括：
五个吸附床(A，B，C，D，E)；
两台鼓风机(G1，G2)；
两台真空泵(V1，V2)；
和氧气产品罐，上述设备由气动切换阀门A1～A5，B1～B5，C11、C12、C21、C22、C3～C5，D1～D5，E1～E5，止回阀J1～J5，以及管道相互连接，其中吸附床的进气端相互连接，并通过阀门A1，B1，C11，C12，D1，E1连接到鼓风机的出气管；各吸附床进口端相互连接，并分别通过阀门A2，B2，C21，C22，D2，E2连接到真空泵；各吸附床进口端相互连接，并分别通过阀门A3，B3，C3，D3，E3连接大气；各吸附床出口端相互连接，并分别通过阀门A4，B4，C4，D4，E4连接到氧气产品罐，而且各吸附床出口端相互连接，还分别通过阀门A5，B5，C5，D5，E5连接到氧气产品罐；以及各吸附床通过止回阀J1～J5分别连接氧气产品罐。
采用五床吸附工艺，每个操作步骤，都有两个吸附床同时进行吸附和抽真空，鼓风机和真空泵连续工作，提高了各设备的利用率；五吸附床都不断重复以上步骤，且各步骤相互错开，周期性切换，使制氧设备能够平稳、连续地产氧。
本发明的五塔流程径向流的变压吸附法，与标准三床吸附工艺相比，鼓风机的风量与标准三床相同，在吸附时间、抽真空时间接近两床或三床流程的条件下，本发明的循环周期时间接近两床，因此虽然吸附床的数量增多到五床，但吸附周期的时间没有增加，解决了氧产量的上限问题，以及两床流程和三床流程的弊端。本发明利用五床变压吸附可从空气中分离纯度为60％-95％(体积百分比)氧气，最大氧气产量可以达到7000Nm3/h以上，解决了原有变压吸附分离氧气工艺氧气产量低、单位，产量的吸附剂利用率偏低，设备造价高等缺点。
附图说明
图1为本发明的五床变压吸附装置，其中A～E为吸附床，A1～A5，B1～B5，C11、C12、C21、C22、C3～C5，D1～D5，E1～E5均为气动切换阀门，J1～J5为止回阀，G1、G2为鼓风机，V1、V2为真空泵。
图2为本发明按a1～a10分步骤运行的气体流向图，其中A～E为吸附床。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
利用图1所示的装置，以空气为原料利用本发明的五床变压吸附法制造氧气，该装置包括A、B、C、D、E五个吸附床，两台真空泵和两台鼓风机，由气动切换阀门A1～A5，B1～B5，C11、C12、C21、C22、C3～C5，D1～D5，E1～E5，止回阀J1～J5，如图连接，所用吸附床直径为吸附床直径为5200mm，高度为2.5m，所用的吸附剂为锂分子筛；采用两台最大鼓风量为600Nm3/h鼓风机；采用两台容量为800Nm3/h真空泵。
在变压吸附的一个周期内，每台吸附床都经历吸附、顺向放压(简称顺放)、抽真空(真空解吸)、清洗、均压和充压六个步骤，每个步骤中都保持两个床吸附，两个床抽真空。
以下以A床为例，以每个吸附床的相关阀门变化步骤分为6步程序，对6个步骤说明：
第一步(a1，a2，a3，a4)：吸附。
阀门A1开启，A2、A3、A4、A5关闭。原料空气经过滤消音器除去机械杂质，经鼓风机增压至压力约30KPa，由底部(吸附床的进料端)进入A床，A床的压力为30KPa，水份和二氧化碳优先被分子筛吸附，然后氮气也被吸附，得到富集的氧气从吸附床顶部排出。获得的氧气一部分作为产品气，经过止回阀J1进入产品罐，另一部分经压力调节后送往下游装置，一部分作为B塔的充压用气和E塔的清洗用气。
第二步(a5)：顺向放压。
当分子筛吸附氮气接近饱和时，停止向吸附床A进空气，且吸附床A停止产氧，开始“顺向放压”。阀门A1、A2、A3、A4关闭，A5开启，同时，开启E5，使“顺向放压”的流出气进入已接近完成“真空解吸”的吸附床E，对其进行升压。此步骤可回收“顺向放压”流出气中的氧气，使装置的氧气收率提高，顺放结束后，吸附床压力为20KPa。
第三步(a6，a7)：抽真空。
吸附床A“顺向放压”步骤结束后，用真空泵对吸附床A抽真空，抽空结束后的吸附床压力为-50KPa，使分子筛上吸附的氮气解吸、分子筛得到再生。此步骤中阀门A2开启，A1、A3、A4、A5关闭。
第四步(a8)：清洗。
清洗“真空解吸”快要结束时，此时B床和E床正在吸附，用其一部分产品气对A床进行清洗，请洗时间为10秒，清洗的同时仍进行抽真空，吸附床的压力基本保持不变。此步骤中阀门A2，A4开启，A1、A3、A5关闭。
第五步(a9)：均压。
清洗结束后，用吸附床B的“顺向放压”流出气进行升压，并回收其中的氧气，提高装置的氧收率。此步骤中阀门A2，A5开启，A1、A3、A4关闭，直至A床的压力为-40Kpa，B床压力为20Kpa。
第六步(a10)：充压和大气进气。“均压”步骤完成后，开启A3、A5，关闭A1、A2、A4，通过大气进气阀引入空气，同时产品氧气也对吸附床充压，当压力接近大气压时，关闭A3，继续充压，直至压力达到吸附压力，充压完成后进入下一个变压吸附循环。
同时，其他吸附床也根据其所处的步骤，利用顺序放压气进行均压，利用产品气进行清洗，以及利用产品气进行充压时，优先选择邻近的吸附床连通，调节相应的阀门进行变压吸附。在此过程中，真空泵和鼓风机连续工作。
利用上述五床变压吸附装置，可从空气中分离纯度为75～80％(体积百分比)的氧气，产氧规模可以达到7000Nm3/h。
Claims (7)
1、一种五床变压吸附制造氧气的方法，利用五个吸附床进行变压吸附分离氧气，在一个吸附周期内，每台吸附床都依次进行吸附、顺向放压、抽真空、清洗、均压和充压六个步骤，各吸附床依次相差一个吸附步骤。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行各个步骤时，都有两台吸附床在进行吸附步骤，两台吸附床在进行抽真空步骤。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，五个吸附床以管道和阀门相互连接，调节阀门，利用顺向放压的气体进行均压。
4、如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，五个吸附床以管道和阀门相互连接，调节阀门，利用吸附步骤的产品气进行清洗。
5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，五个吸附床相互连接，充压步骤利用产品气和大气同时进行充压。
6、一种五床变压吸附装置，主要包括五个吸附床，鼓风机和真空泵，各吸附床进口端相互连接，并分别连通大气、连接到真空泵和鼓风机；各吸附床的出口端相互连接。
7、如权利要求6所述的装置，还包括氧气产品罐，各吸附床进口端相互连接；各吸附床的出口端都连接到产品罐。
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