CN102600699B - 变压吸附气体分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压吸附气体分离装置，包括两个或两个以上吸附塔，每两个相邻的吸附塔的塔顶与塔顶、塔底与塔底分别通过管线和阀门连接，相邻的两个吸附塔之间设有吸附副塔，所述吸附副塔通过管线和阀门与所述的两个相邻的吸附塔连接，所述吸附副塔中装填有吸附剂，每个吸附塔的塔顶都与相邻的吸附塔的塔中部通过管线和阀门连接。通过改变均压部件和增设吸附副塔对现有工艺中均压方式进行改进，很大程度上使得纯化气体在吸附床层内的吸附合理化，极大提高了吸附剂的利用效率，延长了吸附塔的穿透时间，提高了塔内吸附剂的产气率，该装置经实施验证非常适合制备高纯气体。

Description

变压吸附气体分离装置

技术领域

本发明属于气体分离装置领域，特别是涉及一种变压吸附气体分离装置。

背景技术

变压吸附法(简称PSA)作为一种气体分离技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速。其工作原理是：利用吸附剂对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开，吸附平衡后根据吸附剂在不同压力下对吸附气体吸附量不同的特性，降低压力使吸附剂解除对吸附气体的吸附，这一过程称为再生。目前，投入工业运行的变压吸附装置通常使用两塔或多塔并联，这样可以交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的产品气。

市场上现有的变压吸附装置(图1)中均压方式大多都是塔顶向塔顶(俗称上均压)和塔底向塔底(俗称下均压)的直接均压，其中上均压气体为塔顶的产品气，均压后直接作为产品气被收集，下均压的气体为基本未经分离的原料气，均压后塔内吸附剂将对这部分气体进行吸附分离，从而影响吸附剂在吸附过程中的有效吸附分离能力。这类分离装置的吸附剂的有效利用率低、吸附剂的产气率低，适用于纯度低于99.9％的应用领域。为解决上述变压吸附工艺中的缺点，本领域的技术人员提出了解决方案：一种变压吸附气体分离装置(图2)，在并列的吸附塔之间设中间储气罐，通过阀门打开先后时间的控制，使中间储气罐的气体首先能够到达下一步要切换工作的吸附塔内，降低了两塔之间的压力差，缩短了均压时间，不会使吸附塔内已经吸附的杂质气体脱离吸附剂而跑出来，从而提高了气体分离的纯度。该技术方案虽然在一定程度上提高了气体的分离纯度，但其上均压也是塔顶对塔顶的直接均压，均压后的气体未经任何进一步的“提浓”而直接作为产品气收集，而吸附塔中部通过中间储气罐进行均压的气体仍是含有大量吸附质(大于5％)的混合气体，且在吸附塔向储气罐均压的过程中仍有一定量的吸附质脱附后均压到中间储气罐中，这两者在很大程度上仍会加大吸附剂的瞬间吸附量，直接影响到吸附剂的有效分离能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高吸附剂有效分离能力、制备高纯度气体的变压吸附气体分离装置。

具体的技术方案如下：

一种变压吸附气体分离装置，包括两个或两个以上吸附塔，每两个相邻的吸附塔的塔顶和塔底分别通过管线和阀门连接，相邻的两个吸附塔之间设有吸附副塔，所述吸附副塔通过管线和阀门与所述的两个相邻的吸附塔连接，所述吸附副塔中装填有吸附剂，每个吸附塔的塔顶都与相邻的吸附塔的塔中部通过管线和阀门连接。

在其中一个实施例中，所述吸附剂为碳分子筛、活性炭或沸石分子筛。吸附副塔中装填有能快速吸附分离的吸附剂可以使进入吸附塔的均压气体进一步浓缩，得到纯度更高的产品气。

在其中一个实施例中，所述吸附副塔通过管线和阀门与所述的两个相邻的吸附塔的塔中部与塔底之间的位置连接连接。均压过程中较高压力吸附塔内向较低压力吸附塔内的输送的气体都会先经过吸附副塔纯化后才能到达下一步要切换工作的吸附塔内，从而提高了气体分离的纯度。塔顶向塔中部的均压方式，使得塔顶相对较高浓度的产品气，均压后作为原料气到达相邻吸附塔中部，并向吸附床层上端移动，再次被塔内吸附剂吸附，起到二次纯化的目的，提高了产品气的纯度。

在其中一个实施例中，所述吸附副塔的体积为吸附塔体积的3-20％。吸附副塔的体积可以根据均压气体的量进行调节。

在其中一个实施例中，所述吸附副塔的解吸方式为真空解吸或常压解吸。吸附副塔中装填的是快速吸附分离的吸附剂，通过常压解吸即可达到很好的解吸效果，真空解吸效果更佳。

本发明的另一目的是提供使用上述变压吸附气体分离装置进行气体分离的方法。具体的技术方案如下：

一种上述变压吸附气体分离装置进行气体分离的方法，包括如下步骤：

(1)通过控制阀门，使并联的两个吸附塔中的一个吸附塔A进入吸附工作状态，另一吸附塔B和吸附副塔为解吸状态，所需的产品气在吸附塔内自下而上得到富集；

(2)当吸附塔A中的吸附剂接近饱和状态时，进入均压步骤，通过控制阀门，使吸附塔A中的塔顶的气体向吸附塔B的塔中部均压，吸附塔A中下部的气体通过吸附副塔向吸附塔B中下部均压；

(3)通过控制阀门，使吸附塔B进入吸附工作状态，吸附塔A和吸附副塔进入解吸状态，当吸附塔B中的吸附剂接近饱和状态时，进入均压步骤，通过控制阀门，使吸附塔B中的塔顶的气体向吸附塔A的塔中部均压，吸附塔B中下部的气体通过吸附副塔向吸附塔A中下部均压；

(4)重复步骤(1)-(3)，需要分离的多组分气体经过吸附塔吸附分离后连续地得到高浓度的产品气。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明中每个吸附塔的塔顶都与相邻的吸附塔的塔中部通过管线和阀门连接，实现了由塔顶向塔中部的均压方式；

2、本发明中在并联的吸附塔之间设有一个吸附副塔，吸附副塔中装填快速吸附分离的吸附剂，通过调节吸附副塔与吸附塔连接的位置，可以实现塔中部到塔底间任意位置向另一塔的塔中部到塔底间任意位置的均压，均压过程为经过吸附副塔吸附分离后的均压。

本发明通过改变均压部件和增设吸附副塔对现有工艺中均压方式进行改进，使吸附塔开始工作时塔内的均压气体均为高浓度产品气，很大程度上改善了均压气体对吸附剂有效分离能力的影响，提高了塔内吸附剂的有效分离能力，延长了吸附塔的穿透时间，提高了塔内吸附剂的产气率；另一方面则是均压气体经吸附剂的吸附分离后浓度将进一步得到提高，从而得到高浓度的产品气。此外吸附副塔中装填快速吸附分离的吸附剂可以使进入吸附塔的均压气体进一步浓缩，得到纯度更高的产品气。

附图说明

图1为现有的变压吸附气体分离装置；

图2为现有的变压吸附气体分离装置；

图3为本发明实施例1变压吸附气体分离装置工艺流程图；

图4为本发明实施例2变压吸附气体分离装置工艺流程图。

附图标记说明：

10A、10B、吸附塔；10C、吸附副塔；10D、空气储罐；10E、氮气储罐；201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、阀门。

具体实施方式

本发明的工作原理为：

本发明在并联的吸附塔之间设有均压部件(每个吸附塔的塔顶都与相邻的吸附塔的塔中部通过管线和阀门连接)实现塔顶向塔中部的均压，使进入即将工作的吸附塔的均压气体为塔顶产品气，且均压气体进入吸附塔后经塔内吸附剂吸附分离，其浓度得到进一步提高；本发明在并联的吸附塔之间还设有吸附副塔，通过调节与吸附塔联通的位置可以实现塔中部到塔底间任意位置向塔中部到塔底间任意位置的均压，使进入即将工作的吸附塔的均压气体为经过均压吸附副塔吸附分离的产品气，大大改善了现有工艺的下均压气体由于吸附气体浓度较高而影响吸附剂的有效分离能力的不足，提高吸附剂的有效分离能力，延长了塔内吸附剂的穿透时间，提高了产气率，同时这部分均压气体也通过吸附剂的吸附分离，浓度得到进一步提高。

本发明气体分离工艺流程的每一个循环包括吸附、均压和解吸过程。其具体描述(结合图3，以双塔为例)如下：

1、吸附塔10A吸附：阀门201、208、209、213开启，其余阀门都为关闭状态；压缩气体从塔底进入10A塔，经塔内吸附剂吸附分离，产品气在塔内自下而上得到富集，由塔顶获得产品气，吸附时间30～90s；在此过程中10B塔内的吸附剂通过阀门208放空降压再生；吸附副塔10C内的快速吸附剂通过213放空或与其连接的真空泵抽真空再生；

2、吸附塔10A向吸附塔10B均压：当10A塔内的吸附剂接近饱和时，203、206、211开启，其余阀门均为关闭状态；10A塔塔顶通过均压阀211向10B塔中部均压，同时10A塔通过阀门203、吸附副塔10C、阀门206向10B塔进行均压，至10A、10B两塔压力相等时结束，均压时间2～3s；

表1本发明工艺流程中各阀门的状态

注：●---阀门开启

3、吸附塔10B吸附：均压结束后，阀门202、207、210、213开启，其余阀门均为关闭状态；压缩气体从塔底进入10A塔，经塔内吸附剂吸附分离，产品气在塔内自下而上得到富集，由塔顶获得产品气，吸附时间30～90s；在此过程中10A塔内的吸附剂通过阀门207放空降压再生；吸附副塔10C内的快速吸附剂通过阀门213放空或与其连接的真空泵抽真空再生；

4、吸附塔10B向吸附塔10A均压：当10B塔内的吸附剂接近饱和时，阀门204、205、212开启，其余阀门均为关闭状态；10B塔塔顶通过阀门212向10A塔中部均压，同时10B塔通过阀门204、吸附副塔10C、阀门205向10A塔进行均压，至10A、10B两塔压力相等时结束，均压时间2～3s；

5、均压结束后，继续步骤1，如此循环进行，连续地得到高浓度的产品气。

所述的均压吸附副塔10C中填装的是能进行快速吸附分离的吸附剂，能在2-3s的均压时间内对均压气体进行吸附分离。

另一方面，由于均压吸附副塔的引入，整个气体分离工艺解吸气的量有所增加，增加量为原解吸气量的3-20％。

以下通过实施例对本发明做进一步阐述：

实施例1

参见图3，一种变压吸附气体分离装置，包括两个吸附塔10A和10B，以及压缩空气储罐10D和氮气产品气储罐10E，两个吸附塔之间设有吸附副塔10C(吸附副塔的体积为吸附塔体积的5％)，所述吸附副塔10C通过管线和阀门203、204、205、206与吸附塔10A和10B连接，吸附副塔10C中装填有分子筛吸附剂，两个吸附塔的塔顶与塔顶、塔底与塔底分别通过管线和阀门连接(即吸附塔10A和10B的塔顶通过管线和阀门201、202连接，吸附塔10A和10B的塔底通过管线和阀门207、208连接)，吸附塔10A的塔顶与吸附塔10B的塔中部通过管线和阀门211连接，同样地吸附塔10B的塔顶与吸附塔A的塔中部也通过管线和阀门212连接。

压缩空气经塔底的阀门209进入10A塔，经塔内分子筛吸附分离，在塔顶经阀门201得到高浓度氮气产品气，吸附过程持续60s，与此同时，阀门208和213开启，10B塔和吸附副塔10C分别通过放空和抽真空进行解吸，使塔内的分子筛再生；然后进入均压环节，阀门211、203、206开启，实现吸附塔10A塔顶向10B塔中部和吸附塔10A塔中部通过均压吸附副塔10C向吸附塔10B塔底的均压，至10A、10B两塔压力相等时均压结束，均压过程持续2s，在此过程过程中，进入10B塔的均压气体(均为高浓度氮气产品气)经过塔内分子筛的吸附分离，氮气浓度将进一步得到提高，均压结束后进入下一环节，210、202开启，压缩空气从塔底进入10B塔，经塔内分子筛吸附分离，在塔顶得到高浓度氮气，吸附过程持续60s，同时阀门207和213开启，10A塔和均压吸附副塔10C分别通过放空和抽真空进行解析，使塔内分子筛再生；吸附过程结束后进入10B塔向10A塔的均压过程，阀门212、204、205开启，完成10B塔塔顶向10A塔中部和10B塔塔中部通过均压吸附副塔10C向10A塔塔底的均压，均压过程持续2s，在此过程过程中，进入10B塔的均压气体(高浓度氮气产品气)经过塔内分子筛的吸附分离，氮气浓度将进一步得到提高；然后进入下一次循环过程，从而不断地制得高纯度的氮气产品气。

实施例2

参见图4，一种变压吸附气体分离装置，包括两个吸附塔10A和10B，以及压缩空气储罐10D和氮气产品气储罐10E，两个吸附塔之间设有吸附副塔10C(吸附副塔的体积为吸附塔体积的20％)，所述吸附副塔10C通过管线和阀门203、204、205、206与吸附塔10A和10B连接，吸附副塔10C中装填有分子筛吸附剂，两个吸附塔的塔顶和塔底分别通过管线和阀门连接(即吸附塔10A和10B的塔顶通过管线和阀门201、202连接，吸附塔10A和10B的塔底通过管线和阀门207、208连接)，吸附塔10A的塔顶与吸附塔10B的塔中部通过管线和阀门211连接，同样地吸附塔10B的塔顶与吸附塔A的塔中部也通过管线和阀门212连接。

压缩空气经塔底的阀门209进入10A塔，经塔内分子筛吸附分离，在塔顶经阀门201得到高浓度氮气产品气，吸附过程持续60s，与此同时，阀门208和213开启，10B塔和吸附副塔10C分别通过放空和抽真空进行解吸，使塔内的分子筛再生；然后进入均压环节，阀门211、205、204开启，实现10A塔塔顶向10B塔中部和10A塔塔底通过均压吸附副塔10C向10B塔塔底的均压，至10A、10B两塔压力相等时均压结束，均压过程持续2s，在此过程过程中，进入10B塔的均压气体(均为高浓度氮气产品气)经过塔内分子筛的吸附分离，氮气浓度将进一步得到提高，均压结束后进入下一环节，210、202开启，压缩空气从塔底进入10B塔，经塔内分子筛吸附分离，在塔顶得到高浓度氮气，吸附过程持续60s，同时阀门207和213开启，10A塔和均压吸附副塔10C分别通过放空和抽真空进行解析，使塔内分子筛再生；吸附过程结束后进入10B塔向10A塔的均压过程，阀门212、206、203开启，完成10B塔塔顶向10A塔中部和10B塔塔底通过均压吸附副塔10C向10A塔塔底的均压，均压过程持续2s，在此过程过程中，进入10B塔的均压气体(高浓度氮气产品气)经过塔内分子筛的吸附分离，氮气浓度将进一步得到提高；然后进入下一次循环过程，从而不断地制得高纯度的氮气产品气。

经过实验本发明变压吸附气体分离装置制备高纯氮气结果如下表所示：

从上表结果可以看出，制备同样纯度规格的氮气，本发明所使用的变压吸附气体分离装置的产气率最高，与现有技术相比有明显的提高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种变压吸附气体分离装置，包括两个或两个以上吸附塔，每两个相邻的吸附塔的塔顶与塔顶、塔底与塔底分别通过管线和阀门连接，相邻的两个吸附塔之间设有吸附副塔，所述吸附副塔通过管线和阀门与所述的两个相邻的吸附塔连接，其特征在于，所述吸附副塔中装填有吸附剂，每个吸附塔的塔顶都与相邻的吸附塔的塔中部通过管线和阀门连接；所述吸附副塔通过管线和阀门与所述的两个相邻的吸附塔的塔中部与塔底之间的位置连接；所述吸附副塔的体积为吸附塔体积的3-20%。

2.根据权利要求1所述的变压吸附气体分离装置，其特征在于，所述吸附剂为碳分子筛、活性炭或沸石分子筛。

3.根据权利要求1所述的变压吸附气体分离装置，其特征在于，所述吸附副塔的解吸方式为真空解吸或常压解吸。

4.一种使用权利要求1-3任一项所述的变压吸附气体分离装置进行气体分离的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过控制阀门，使相邻的两个吸附塔A和B中的吸附塔A进入吸附工作状态，另一吸附塔B和吸附副塔为解吸状态，所需的产品气在吸附塔内自下而上得到富集；

（2）当吸附塔A中的吸附剂接近饱和状态时，进入均压步骤，通过控制阀门，使吸附塔A中的塔顶的气体向吸附塔B的塔中部均压，吸附塔A中下部的气体通过吸附副塔向吸附塔B中下部均压；

（3）通过控制阀门，使吸附塔B进入吸附工作状态，吸附塔A和吸附副塔进入解吸状态，当吸附塔B中的吸附剂接近饱和状态时，进入均压步骤，通过控制阀门，使吸附塔B中的塔顶的气体向吸附塔A的塔中部均压，吸附塔B中下部的气体通过吸附副塔向吸附塔A中下部均压；

（4）重复步骤（1）-（3），需要分离的多组分气体经过吸附塔吸附分离后连续地得到高浓度的产品气。