CN1031358A - 由空气生产高纯氧气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用PSA法由空气生产高纯氧气的方法，它 包括将装填有碳分子筛的第一吸附单元与装填有沸 石分子筛的第二吸附单元串联起来，在同一操作循环 时间内在每一单元中分别进行PSA操作，将来自第 一吸附单元的解吸气体收集于接收罐中，然后将得到 的解吸气引至第二单元作原料气，并引至第一单元作 淋洗气体。

Description

本发明涉及以空气为原料用变压吸附法（以下以PSA表示）生成高纯氧气的方法。
纯度达99.5%或更高的高纯氧气，目前需要量很大，在工业部门用作焊接用气体，在医疗部门用于吸氧。用于这些方面的纯度达99.5%或更高的氧气，无例外地都是从空气低温液化设备中得到的。
采用低温设备由空气生产高纯氧气的方法，一般是用于以工业规模进行生产的技术，并且它也已有各种改进。但其经济效益仅仅是建立在每天生产几十吨乃至更多的大规模生产上的，从而需要有大规模的消费才能实现。因此，当使用少量氧时，要将上述由低温设备得到的高纯氧气以液态形式用槽车运输或装入钢瓶，分批供给用户，然而这使成本变得很高。
另一方面，用PSA法生产氧气的方法也得到了发展。
例如美国专利NO.4，190，424公开了使用碳分子筛吸附段和沸石分子筛吸附段，利用PSA法生产氧的方法。但在该方法中，将解吸过程中间步骤中由碳分子筛吸附段解吸出的气体用作沸石分子筛吸附段的原料气。因此，氧的回收率受到限制，因为在解吸过程的初始阶段就产生了大量氧气。其次，在该方法中，在已经完成吸附过程的吸附器和同一段中已经完成解吸过程的吸附器之间，没有达到压力平衡，因此难以在解吸操作开始时由碳分子筛吸附段回收高氧含量的气体。再有，在该方法中，没有能改善氮氧分离效率的对沸石分子筛吸附段的反洗。另一方面，在该方法中最好采用预处理以除去水分和二氧化碳，这样，运行费用和设备费用就变高了。
相应于美国专利NO.4，566，881的日本专利公开NO.60-200805公开了一种方法，其特点是用同一台真空泵对第一吸附单元和第二吸附单元交替地进行再生。这样，在第二吸附单元中就浪费了运行时间，并且再生时间不足。因此，在一次循环中第二吸附单元所需的运行时间，变为第一吸附单元所需运行时间的两倍，进而使第二吸附单元的大小变为在一次循环中对同样的运行时间所需大小的两倍，这就导致更高的设备费用。其次是压力能量损失加大，因为总的工艺系统是由利用压缩机的加压吸附（几巴）步骤和利用真空泵的真空再生步骤组成的，并且在加压吸附之后，没有采取压力回收措施。例如，根据其实施例1，第一吸附单元的吸附压力，是用压缩机升至7Kg/cm2G（8巴），因此占空气约79%的氮也被同时压缩了，从节能观点看，该方法就很浪费了。再者，该系统中有用于进行预处理以去除空气中所含水分的干燥单元，这就不仅使设备和仪器费用增加，也使操作步骤变得很复杂。
这些时间的浪费和动力消耗较大，使得在低成本下生产高纯氧气的PSA法丧失其先进性。
在这种情况下，本发明人对以较低动力消耗、较高氧产额生产高纯氧气的方法，进行了充分研究。结果发现，通过将填充有碳分子筛的第一吸附单元与填充有沸石分子筛的第二吸附单元串联起来，在同一操作循环时间中在每一单元中分别进行PSA操作，将由第一单元总解吸气体中较前边的部分解吸气体收集在接收罐中，然后将所得解吸气体引入第二单元作为原料气，同时也引入第一单元作为淋洗气体，可以以较低动力消耗和较低建造成本获得高纯氧气，这是前所未有的。尤其是发现当各吸附剂的量和吸附、解吸压力都选择在最佳条件时，从效率观点看，在同一操作循环时间里进行第一和第二吸附单元的操作是最好的。
因此，本发明的主要目的就是提供一种以较低动力消耗、较高氧产额和较低建造成本，用PSA法生产高纯氧气的方法。
从下面的描述并参照附图，本发明的这一目的和其他目的，以及本发明的先进性，对本领域专业人员来说将是显而易见的。
图1是表示用于本发明方法的设备的一个范例的流程图。
图2是表示用于本发明方法的设备的另一范例的流程图，其中采用两台真空泵。
图3a至3e是表示本发明方法的一种优选具体方案的流程图，其中采用了图1所示的设备。
图4a至4e是表示本发明方法的另一优选具体方案的流程图，其中采用了图2所示的设备。
本发明来自对以下几点所作的改进：
（1）为了能以较低动力消耗得到高纯氧气，在第一单元和第二单元的每一步PSA操作中设置了压力平衡步骤，并用一台真空泵在同一操作循环时间中对每一单元进行解吸。在这种情况下，也可配置两台真空泵，分别用于第一和第二单元。
（2）为了获得高氧含量，在真空泵的出口处设有一接收罐，并且只收集第一单元解吸操作初始阶段中解吸出的具有高氧含量的气体用作第二单元的原料气。此外，用该气体以平行于空气流向的方向对第一单元进行淋洗。
（3）如果原料气含水，碳分子筛和沸石分子筛的性能都会降低。所以在每一吸附器的入气口处装填了活性铝土脱水剂，在吸附操作期间被吸附的水分，在解吸操作中利用设于第一单元的真空泵出口处的制冷器型干燥器进行冷却而被凝结并除去。
（4）碳分子筛和沸石分子筛都强烈吸附二氧化碳，并且解吸时某些二氧化碳将混入解吸出的气体。但二氧化碳不能通过上述制冷器型干燥器而被去除，所以当长时间连续进行PSA操作时，在该系统中会发生二氧化碳的积累。因而要对它进行定期的排除，通过第一单元或第二单元的真空泵的出口部分排至系统之外。
因此，本发明提供了一种利用PSA法从空气生产高纯氧的方法，它包括将填充有碳分子筛的第一吸附单元和填充有沸石分子筛的第二吸附单元串联起来，在每一单元中，在相同的操作循环时间内分别进行PSA操作，将从第一吸附单元解吸出的气体收集于接收罐中，然后将得到的解吸气引至第二单元作为原料气，并引至第一单元作淋洗气。
如果结合下列一种或几种操作，本发明的方法能更有效地实施。
在第一和第二单元的每一吸附器的进气口中封装脱水剂，以吸附水份，并且水份在真空泵产生的低压下从脱水剂中解吸出来，通过设于真空泵出口的制冷器型干燥器进行冷却而将水份凝结，以去除水份。
填充有碳分子筛的第一吸附单元由两个吸附器组成，通过将已完成吸附过程的吸附器连接到已完成解吸过程的另一吸附器的出口上达到压力平衡;填充有沸石分子筛的第二吸附单元由两个吸附器组成，通过将已完成吸附过程的吸附器的出口连接于另一个已完成解吸过程的吸附器的入口上达到压力平衡，同时将一部分氧产品气返回至上述已完成解吸过程的第二单元吸附器中。
通过所用真空泵的出口将积累于系统中的二氧化碳定期排入大气。
下面参照附图详细解释本发明的优选实施方案。
各操作步骤按照图3a至3e和图4a至4e中的粗线进行。一个循环所需的时间，不限于这些图中所示的时间。但是优选的一个循环的时间为50秒×2/循环至120秒×2/循环的范围。
参照图1和图3a-3e解释每一操作步骤：
步骤1：用第一吸附单元的鼓风机14将空气升压至几百毫米水柱表压;将升压后的空气通过转换阀（以下记叙“V-”）1A引入吸附器15A并进行加压;在15A的入气口装填有活性铝土，其上装填碳分子筛。另一方面，通过真空泵19将吸附器15B降压至约50至200托，吸附在该吸附器中的氧气随压力降低而解吸出来，然后将解吸出的氧气收集于接收罐16中。此时能得到最高氧含量（约70%或更高）的气体。
在第二吸附单元中，打开V-12A，通过压力平衡将保持在已经完成吸附过程的吸附器17B中的高氧含量气体，经17B的出口回收至已经完成解吸过程的吸附器17A的入口;每一个吸附器都在其入气口装填有活性铝土，在其下部装填有沸石分子筛。与此同时，使氧产品气由产品罐18通过V-10A反流至吸附器17A。
步骤2：在第一吸附单元中，引入吸附器15A的空气中的氧被优先吸附，剩余的气体中富含氩气和氮气，通过V-2A被释放至大气中。
在另一方面，在通过真空泵19将压力降至50至200托的过程中，吸附器15B连续地解吸出含氧70%或更多的气体。
在第二吸附单元中，通过V-8A从接收罐16将含氧量约70%的氧气引至吸附器17A，同时使高纯氧产品气从产品罐18反流至吸附器17A，以升高压力。另一方面，用真空泵19通过V-9B使吸附器17B解吸和再生。通过V-3B使解吸气体与由第一单元的吸附器15B解吸出的气体相混合，用制冷器型干燥器20通过冷凝作用将其中的水份除去。这样能使用作原料气的空气中所含的约0.5-5%（体积）水份被基本上全部除去。
步骤3：为了增加吸附于第一吸附单元中的氧的量，将吸附器15B的剩余解吸气体（含氧量约70%或更少些）通过V-3B和V-4A引入吸附器15A，对吸附器15A进行淋洗。在这一步骤中，在第二吸附单元中，原料气中所含的氮被吸附器17A所吸附，产生具有99.5%或更高纯度的氧产品气将该氧产品气收集于产品贮罐18中。另一方面，在吸附器17B中进行解吸。
步骤4：为了进一步增加吸附于第一吸附单元中的氧的量，将收集于接收罐16中的含氧量约为70%或更高的气体，与上述自吸附器15B解吸出的气体相混合，并将所得气体经V-4A引入吸附器15A，以进行淋洗。在此步骤期间，在第二吸附单元中吸附和解吸都在进行，同时产品贮罐18中高氧含量的氧产品气的一部分，通过V-11B反流至吸附器17B，以进行淋洗。
步骤5：在第一吸附单元中，在吸附器15A中已经充分地吸附了氧，将吸附器15A中富含氧的剩余气体，从吸附器15A的出口经V-5靠压力平衡引入已经完成解吸过程的吸附器15B而被回收。有可能创造一些条件，在这些条件下将一个吸附器空隙空间中的含少量氮气的剩余气体，部分地转移到另一个吸附器中，从而方便地获得高氧含量。
另一方面，通过设于真空泵19出口的排放阀V-13，用淋洗气，即来自产品贮罐18的高纯氧产品气，将吸附于第二单元中的吸附器17B的氮气和二氧化碳逐出而排放至大气。
参照图2和图4a-4e介绍各操作步骤的另一个优选方案：
步骤1：用第一吸附单元中的鼓风机14，将空气升压至几百毫米水柱表压，将升压后的空气通过转换阀V-1A引至吸附器15A并加压，在吸附器15A的进气口填充有活性铝土，其上装填碳分子筛。另一方面，吸附于吸附器15B的氧，可在用真空泵19A将压力降至约50至200托的过程中的任何压力下解吸出来，解吸出来的氧被收集于接收罐16中。此时，可获得具有最高氧含量（约70%或更高）的气体。
在第二吸附单元中，两个吸附器中在其进气口均填充有活性铝土，在其下部填充有沸石分子筛。当吸附器17B中完成吸附过程后，将吸附器17B中保留的高氧含量气体，通过V-12A靠压力平衡而由吸附器17B的出口引入已完成解吸过程的吸附器17A的入口，与此同时，通过V-10A使产品贮罐18中的氧产品气反流至吸附器17A。
步骤2：在第一单元中，引入吸附器15A的空气中的氧被优先吸附，通过V-2A将富含氩气和氮气的余气排至大气。
另一方面，用真空泵19A使吸附器15B中的压力降至50-200托，在这一过程中吸附器15B连续地解吸出70%或更高氧含量的气体。
在第二单元中，通过V-8A将氧含量约70%的氧气由接收罐16引至吸附器17A，同时使含高纯氧气的氧产品气由产品罐18反流至吸附器17A以提高压力。另一方面，用真空泵19B通过V-9B对吸附器17B进行解吸和再生，并将解吸气通过阀13排入大气。用真空泵19A将从第一单元中的吸附器15B解吸和再生出来的气体中所含的水份，用制冷型干燥器20来凝结而被去除。这样就将原料气空气中所含的约0.5-5%（体积）的水基本上全部除去了。
步骤3：为增加第一吸附单元吸附的氧的量，通过和V-3B和V-4A将含氧量约为70%或更低的吸附器15B的解吸气的余气，引至吸附器15A，对该吸附器进行淋洗。在进行该步骤期间，在第二吸附单元中，通过吸附将原料气所含的氮除去，未被吸附的含氧量约99.5%或更高的气体，被作为氧产品气收集于产品贮罐18中。另一方面，对吸附器17B进行解吸，并通过V-13将解吸气释放至大气。
步骤4：为进一步增加第一吸附单元中所吸附的氧的量，将收集于接收罐16中的含氧量约为70%或更高的气体，通过V-4A引入吸附器15A进行淋洗。在进行此步骤期间，在第二吸附单元中，在通过V-11B使产品贮罐18的一部分氧产品气反流至吸附器17B进行淋洗时，吸附和解吸都在进行。
步骤5：在第一吸附单元中，吸附器15A中富含氧的残留气，通过V-5靠压力平衡而从已经充分吸附了氧的吸附器15A的出出引入已经完成解吸过程的15B而被回收。有可能创造一些条件，在这些条件下通过将一个吸附器空隙空间中含少量氮气的残留气体部分地转移至另一吸附器，从而方便地得到高氧含量。
另一方面，通过设于真空泵19B出口处的阀V-13，用淋洗气，即来自产品贮罐18的氧产品气，将吸附于第二单元中的吸附器17B的氮气和二氧化碳逐出而排放至大气。
在本发明的方法中，所用的碳分子筛和沸石分子筛不是特别限定的，也可采用已知的分子筛。
根据本发明的方法，可以以较低的动力消耗，利用简单的吸附装置，由空气有效地获得纯度达99.5%或更高的氧气。由于仅用PSA法操作而获得氧气，设备和仪器的成本都很低。
下述实施例将进一步详细说明本发明，但不应被认为是对本发明范围的限制。
实施例1
在图1所示的第一吸附单元中，在每一吸附器的入气口装填有市售活性铝土60Kg，在其上装填由西德Bergbau Forshung生产的具有均匀微孔（孔径3-4 ）的碳分子筛420Kg。在第二吸附单元中，在每一吸附器的入气口装填市售活性铝土±15Kg，在其下部装填微孔直径为5 的钙型沸石分子筛45Kg。依照图3a至3e所示的操作步骤，以55秒×2/循环进行本发明的PSA操作，即由鼓风机向第一和第二单元供空气，以使两个单元的吸附压力都变为0.05Kg/cm2G，并控制真空泵入口最终解吸压力达100托。结果如下。
第一吸附单元出口处废气成分（所有百分数除另有说明者外均为体积百分数）：
O213.0%，N286.0%，Ar 1.0%
接收罐中气体的成分：
O273.8%，N225.5%，Ar 0.2%，CO20.5%
由真空泵出口排入大气的气体成分：
O249.3%，N249.7%，Ar 0.2%，CO20.8%
氧产品气的成分：
O299.7%，Ar 0.3%
氧产品气的生产率：
5.0NM3/H
氧产品气的产额：
36%
实施例2
在图2所示的第一吸附单元中，在每一吸附器的入气口装填市售活性铝土60Kg，在其上装填西德Bergbau Forshung生产的具有3-4
Figure 88104878X_IMG3
直径均匀微孔的碳分子筛420Kg。在第二吸附单元中，在每一吸附器的进气口装填市售活性铝土15Kg，在其下部装填微孔直径为5
Figure 88104878X_IMG4
的钙型沸石分子筛45Kg。依照图4a至4e所示的操作步骤，以55秒×2/循环进行本发明的PSA操作。用鼓风机向第一和第二单元供空气，以使两个单元的吸附压力都变为0.05Kg/cm2G，并控制设于各单元的每一真空泵入口的最终解吸压力达100托。结果如下。
第一吸附单元出口处废气的成分：
O212.5%，N286.3%，Ar 1.2%
接收罐中气体的成分：
O273.9%，N225.4%，Ar 0.2%，CO20.5%
从真空泵19A出口排入大气的气体的成分：
O249.5%，N249.5%，Ar 0.2%，CO20.8%
从真空泵19B出口排入大气的气体的成分：
O253.2%，N245.9%，Ar 0.2%，CO20.7%
氧产品气的成分：
O299.7%，Ar 0.3%
氧产品气的生产率：
4.9NM3/H
氧产品气的产额：
35%

Claims (5)

1、一种用PSA法由空气生产高纯氧气的方法，其特征在于，将装填有碳分子筛的第一吸附单元与装填有沸石分子筛的第二吸附单元串联起来，在同一操作循环时间中在每一单元中分别进行PSA操作，将从第一吸附单元解吸出的气体收集于接收罐中，然后将得到的解吸气引至第二单元作原料气，并将其引入第一单元作淋洗气体。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，在第一和第二单元的每一个吸收器的入气口增装脱水剂以吸附水分，吸附于其上的水分在由真空泵产生的低压下解吸出来，并被设于真空泵出口处的制冷器型干燥器冷却而凝结，以去除水分。
3、根据权利要求1的方法，其特征在于，装填有碳分子筛的第一吸附单元由两个吸附器组成，通过将已经完成吸附过程的吸附器与已经完成解吸过程的吸附器在出口端连接起来进行压力平衡，装填有沸石分子筛的第二吸附单元由两个吸附器组成，并通过将已经完成吸附过程的吸附器的出口与已经完成解吸过程的吸附器的入口连接起来进行压力平衡，与此同时，使一部分氧产品气返回至第二吸附单元中已经完成解吸过程的上述吸附器。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于，累积于该系统中的二氧化碳，通过所用真空泵的出口，被定期排入大气。
5、根据权利要求1的方法，其特征在于，用从第一吸附单元产生的具有70%或更高氧含量的初始解吸气体作第二吸附单元的原料气和第一吸附单元的淋洗气体。
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