CN102049170B - 一种vpsa空气分离制富氧流程 - Google Patents
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Abstract
一种VPSA空气分离制富氧流程，本发明提供一种VPSA空气分离制富氧流程。其VPSA制氧系统主要由两组或两组以上的吸附塔组，以及真空泵、阀门和管道组成，其中每组吸附塔组由上、下两个吸附塔通过管道和阀门连接而成，吸附塔组的下塔装填活性氧化铝、13X分子筛，吸附塔组的上塔装填氧氮分离的分子筛类吸附剂。吸附塔组上塔底部以管道和阀门连接真空泵，下塔底部通过管道与阀门连接另一真空泵。VPSA制富氧流程依次包括以下步骤：(1)吸附；(2)塔组上、下塔并行均压降压；(3)塔组上、下塔并行抽取真空；(4)塔组上、下塔并行均压升压；(5)升压。本发明中，因吸附塔组的采用、多真空系统的采用、以及采用上述VPSA空气分离制富氧流程各步骤，则与常规的VPSA制富氧流程相比，制氧系统能耗可降低12～17％，同时可提高氧气收率2～5％。
Description
技术领域
本发明涉及到一种采用真空变压吸附(VPSA)从空气中分离、富集氧气的方法，属气体分离领域。
背景技术
氧气是工业的重要原料，广泛应用于冶金、化工、电力、化肥、玻璃、水处理、有色金属冶炼和医疗领域。变压吸附法制氧工艺具有流程简单、安全、投资少、能耗低、自动化程度高、开停车方便迅速、启动时间短，适应性强，制氧过程在常温常压下完成，氧气纯度在50％~95％之间可任意调整，负荷可在30％~110％范围内随意变化等优点。自20世纪80年代以来，随着变压吸附法分离空气制富氧技术的成熟，在无需高纯氧气的场合，变压吸附(PSA)法已发展成为世界上获取低成本氧气的主要方法。
目前，变压吸附空气分离制富氧的主要工艺包括PSA工艺和VPSA工艺。PSA工艺主要采用加压吸附、常压解吸，其基本流程为：加压吸附，均压降压，顺放，逆放，冲洗，均压升压，产品气升压。VPSA工艺主要采用常压吸附、真空解吸，其基本流程为：常压吸附，均压降压，抽真空，均压升压，产品气升压。PSA工艺吸附压力较高(0.2～0.6MPa)投资小、设备简单，但能耗高，只适用于小规模制氧领域。VPSA工艺设备相对复杂，但氧收率高，能耗低，适用于较大规模制氧领域。目前，伴随钢铁、有色金属冶炼、化工等行业的发展，VPSA大规模制取富氧已成为变压吸附气体分离纯化领域的一个重点发展方向。
但在VPSA制富氧工艺中，现在多采用水环真空泵提供真空，且对不同的吸附剂的解吸再生采用同一真空系统。由于水环真空泵工作过程中大量水的蒸发，致使VPSA系统仍具有较高的能耗。
发明内容
本发明提供一种VPSA空气分离制富氧流程，发明的目的在于通过改进工艺流程，降低系统能耗，并以此降低富氧生产成本。
本发明所提供的VPSA空气分离制富氧流程，其制氧系统主要由吸附塔组、真空泵、阀门和管道组成。上述吸附塔组由两个吸附塔通过管道和阀门连接而成。其中，吸附塔组下塔装填活性氧化铝、13X分子筛，用以吸附H2O、CO2；吸附塔组上塔装填氧氮分离分子筛，用以吸附N2。
上述吸附塔组上塔底部以管道和阀门连接真空泵，其作用的是为上塔中氧氮分离分子筛的再生提供真空，该真空泵为液环式真空泵，其工作液为具有极低饱和蒸气压的液体，如1-甲基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐等离子液。下塔底部通过管道与阀门连接另一真空泵，其作用的是为下塔中活性氧化铝、13X分子筛的再生提供真空。上、下塔中吸附剂真空解吸再生时，上塔与下塔相互独立，各自由与其相连的真空泵提供真空。由于水环真空泵工作过程中做功产生热量，会使泵体中工作水环发热，并引起水大量受热蒸发，致使整个制氧系统的能耗偏高，而采用具有低蒸气压特性的液体为工作液的液环真空泵工作时，将不存在因大量工作液的蒸发而使系统能耗上升的状况出现，同时还可对系统提供更高的真空度，因此，上塔由其提供真空，有利于同时实现降低能耗、氧氮分离吸附剂床层的充分解吸再生以及氧气收率的提高。而吸附塔组下塔主要为吸附空气中的水和CO2，故仍保留采用常规的水环真空泵或罗茨真空泵等对其提供真空。
本发明所提供的VPSA空气分离制富氧流程，其步骤依次包括：
(1)吸附：空气自下而上通过一吸附塔组，在不同吸附剂作用下，依次吸附脱除H2O、CO2、N2，一步制取富氧。富氧纯度在45～95％间可调。富氧从塔顶输出进入产品缓冲罐，再经管道送至用户。
(2)吸附塔组上、下塔并行均压降压：当吸附塔组中吸附剂吸附接近饱和后，即当吸附杂质的传质区前沿到达床层出口预留段某一特定位置时，停止吸附，同时关闭上下塔之间的连接阀，塔组的上、下塔各自开始转入再生过程。顺着吸附方向，上塔与另一塔组的已完成真空再生的上塔均压，即上塔均压降压。同时，下塔与另一塔组的已完成真空再生的下塔均压，即下塔均压降压。
(3)吸附塔组上、下塔并行抽真空：塔组上、下塔均压降后，逆着吸附方向，上、下塔独立且同时进行抽取真空。上塔以低蒸气压液体(如等离子液)液环真空泵抽取真空，下塔以常规的水环真空泵或罗茨真空泵等抽取真空。
(4)吸附塔组上、下塔并行均压升压：上、下塔均压升压各自独立且同时进行。逆着吸附方向，塔组上塔与另一塔组已完成吸附步骤的上塔均压；逆着吸附方向，塔组下塔与另一塔组已完成吸附步骤的下塔均压。
(5)升压：开启上、下间的连接阀，以产品气和空气对塔组升压至吸附压力，为下一次吸附做好准备。
本发明所提供的VPSA空气分离制富氧流程，其特点在于同一吸附塔组中，上、下塔在吸附及升压两个步骤时是作为一个连接在一起的整体工作的，而在其它步骤中上、下塔的工作是完全独立且并行的。
本发明用于VPSA空气分离制富氧，在实际运用时，VPSA制富氧系统中的吸附塔组数可根据需要调整为两组或两组以上。多组吸附塔组联合工作，即可连续制备富氧。
本发明中，因采用吸附塔组和多真空系统、以及采用上述VPSA空气分离制富氧流程步骤，则与常规的VPSA制富氧流程相比，制氧系统能耗可降低12～17％，同时可提高氧气收率2～5％。
附图说明
图1是根据本发明内容所实施的一个两塔组VPSA空气分离制富氧系统的制氧流程示意图。
具体实施方式
以一个两塔组VPSA空气分离制富氧系统的制氧流程为例，并结合图1对本发明进行说明，但本发明的应用范围并不限制于此。
实施例1
在一个两塔组VPSA空气分离制富氧系统中，以塔TA1、TB1所组成的塔组为例，描述工艺流程如下：
(1)吸附(A)：开启阀VA1、VA3、VA6、V7，空气从塔底进入塔TA1，在塔TA1中，空气中H2O、CO2依次被活性氧化铝、13X分子筛吸附脱除。再经阀VA3，从底部进入TB1，在塔TB1中，N2被氧氮分离分子筛所吸附脱除，所形成的富氧产品气经阀VA6、V7送入产品气缓冲罐V，当吸附杂质前沿到达吸附床层出口预留段某一特定位置时，关闭阀VA1、V7、VA3，停止吸附。
(2)塔组上、下塔并行均压降压(TAED、TBED)：开启阀VB6、VA5，关闭阀VB5，顺着吸附方向，塔TB1将其部分富氧送入已完成真空再生的塔TB2，直至TB1与TB2压力平衡。同时，开启阀VA4、VA2，顺着吸附方向，塔TA1将其部分已脱除H2O、CO2的气体送入已完成真空再生的塔TA2，直至TA1与TA2压力平衡。
(3)塔组上、下塔并行抽真空(TAV、TBV)：关闭阀VA6，以真空泵P2对塔TB1抽真空，TB1中氧氮分离分子筛得以充分解吸再生。同时，关闭阀VA4，以真空泵P1对塔TA1抽真空，TA1中活性氧化铝和13X分子筛得以充分解吸再生。
(4)塔组上、下塔并行均压升压(TAER、TBER)：关闭阀VA5，开启阀VA6、VB5，逆着吸附方向，将已完成吸附动作的塔TB2中部分富氧引入塔TB1，直至TB1与TB2压力平衡。同时，关闭阀VA2，开启阀VA4、VB2，将已完成吸附动作的塔TA2中部分已脱除H2O、CO2的气体引入塔TA1，直至TA1与TA2压力平衡。
(5)升压(FR)：关闭阀VA4，打开阀V7、VA3、VA1，产品气缓冲罐V中产品气经V7、VA6自上而下对塔组升压，同时空气经VA1自下而上对塔组升压，直至压力升至吸附压力。至此，塔TA1、TB1及其相连的管道、阀门所组成的塔组完成一个吸附——再生周期，等待下一次吸附。
两塔组VPSA空气分离制富氧流程中，塔TA1、TB1所组成的塔组与塔TA2、TB2所组成的另一塔组的步序如下表：
塔TA1、TB1所组成的塔组，与塔TA2、TB2所组成的另一塔组，以及其它设备联合工作，连续输出富氧。
Claims (7)
1.一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于：制氧系统由两组或两组以上的吸附塔组，以及真空泵、阀门和管道组成，其中每组吸附塔组由上、下两个吸附塔通过管道和阀门连接而成，吸附塔组上塔底部以管道和阀门连接真空泵，下塔底部通过管道与阀门连接另一真空泵，吸附塔组的下塔装填活性氧化铝、13X分子筛，吸附塔组的上塔装填氧氮分离的分子筛类吸附剂；所述的吸附塔组上塔底部所连真空泵为液环式真空泵，真空泵的工作液为具有低饱和蒸气压的液体；制取富氧时，每一吸附塔组的每一工作循环周期依次包括以下步骤（1）吸附，（2）吸附塔组上、下塔并行均压降压，（3）吸附塔组上、下塔并行抽取真空，（4）吸附塔组上、下塔并行均压升压，（5）升压。
2.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于在吸附步骤中，空气自下而上通过吸附塔组，在不同吸附剂的作用下，依次被吸附脱除H2O、CO2、N2，一步生成富氧。
3.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于在吸附塔组上、下塔并行均压降压步骤中，上、下塔均压降压各自独立且同时进行，即，顺着吸附方向，塔组上塔与另一塔组已完成真空再生步骤的上塔均压，而同时，顺着吸附方向，塔组下塔与另一塔组已完成真空再生步骤的下塔均压。
4.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于在吸附塔组上、下塔井行抽取真空步骤中，塔组上、下塔独立且同时进行抽取真空，即，逆着吸附方向，以与上塔相连的真空泵对上塔抽真空，而同时，逆着吸附方向，以与下塔相连的真空泵对下塔抽真空。
5.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于在吸附塔组上、下塔并行均压升压步骤中，上、下塔均压升压各自独立且同时进行，即，逆着吸附方向，塔组上塔与另一塔组已完成吸附步骤的上塔均压，而同时，逆着吸附方向，塔组下塔与另一塔组已完成吸附步骤的下塔均压。
6.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在于在升压步骤中，以产品气和空气共同对吸附塔组升压至吸附压力。
7.根据权利要求1所述一种VPSA空气分离制富氧流程，其特征在两组或两组以上的吸附塔组按照一定的步序交替上作，实现富氧的连续制取。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |