CN103768891A - 一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体分离技术领域，具体为一种两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法。本发明的两级串联变压吸附制氧系统，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；本发明是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置一贫氧气回收回路，将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体。按照本发明规定工步运行，可显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。

Description

一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法。

背景技术

变压吸附(PSA)是一种重要的、具有广泛应用的气体分离方法，变压吸附制氧方法是低温深冷制氧工艺的重要补充，用于由空气流生产氧气的传统PSA法通常采用如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂基于平衡吸附理论制氧，因这些吸附材料对氮气的吸附能力比氧气强，也即选择性，通常选择性达到3以上即可实现能效比不错的工业制氧，改良的合成沸石氧氮的选择性可以高达10，而且还在不断的突破，这样的选择性结合合理的分离流程甚至可以实质上做到氮气和氧气间的完全分离，但是，针对空气组分中的氩气，因氧气和氩气在这些吸附材料上的吸附等温线几乎相同，常规的这些合成沸石对原料空气中的氧气与氩气基本无选择性，即使假定所有氮气均被沸石吸附，富氧产品气流中也因含有约5%的氩气，从而使得采用常规的这种吸附氮气的基于平衡吸附理论基础PSA法一般不能产生氧气浓度大于95%的产品气，一般分离仅限制于88～95.7%的氧气产品，这就大大限制了需要纯度更高的诸如切割、医疗等氧气应用（需要大于97%以上的氧气，甚至需要99.5%以上的高纯度气体）。

因此，基于吸附方法来获得更高的氧气纯度，人们不得不采用更为复杂的多级变压吸附系统，国内专利CN1226142A就揭示了一种采用多级变压吸附获得了纯度98.4%的变压吸附方法，以沸石氮吸附剂祛除大量的氮气，以基于动力学分离特性的碳分子筛实现氧氩的分离，两级吸附系统采用了不同传质机理，其前级采用了基于平衡吸附传质机理的吸附系统，后级采用了基于动力学分离机理的吸附系统，尽管以单一动力设备实现了分离过程，但显然其15%的氧气回收率大大限制了其应用。

多级变压吸附在国外有代表性的分离方法主要以US4190424、US4959483、US4913339、US5395427、US5137549、US4190424、US4959083、US5226933和US5470378为代表，现有的这些技术的多级PSA系统采用了至少两级PSA，有的采用了氮吸附剂首先由进料空气流产生含氧浓度大于95.0%的产品气，再以碳分子筛组成的第二吸附床层分离其中的氩气，有的先采用基于动力学分离原理的碳分子筛获得贫氩富氧气体再以采用基于平衡吸附理论的氮吸附剂继续富集以生产高纯度氧气，但在其采用的各种方法中，即在两段或者多段式PSA法中至少有两个不同的传质区，更典型的特征是至少在其中的一个传质区采用了动力学分离原理的碳分子筛来实现氧与氩的分离，其系统循环复杂、采用了大量的缓冲罐、动力设备为获得更高的氧气产品进行必要的清洗、置换或排代步骤，能源消耗巨大、造价高昂。

中国专利CN201930684U揭示了一种氧氩混合气非深冷变压吸附分离装置，采用两个相同并均基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，实现了氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统的氧气回收率为50%，则该串联的两级变压吸附系统总的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。

中国专利CN101733070A揭示了一种氧氮氩混合气的分离流程，采用两个相同的基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，可实现氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统回收率为50%，则系统总体的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对前述现有技术的不足而提供一种可提高氧气回收率的基于平衡吸附传质机理的两级串联变压吸附制氧系统，并提供该系统的控制操作方法。

本发明提出的可提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，如图1所示，其中，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；本发明是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一套贫氧气回收回路，用于将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。本发明按照规定工步（步骤，也称为时序）运行，可显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。

现有两级串联变压吸附制氧系统，其结构和流程如图2所示，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；其中，第一级PSA包括至少两个吸附塔（图中标为第一吸附塔101A和第二吸附塔101B）、第一缓冲罐P1，还包括各种控制阀门及连接管路，控制阀门包括V1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C等，这些控制阀门和管路分别组成吸附塔之间组成下述回路：

进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门（图中标为V1A、V1B）；

废气排除回路：用以选择性的将吸附塔吸附的氮气、氩气等废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门（图中标为V2A、V2B），以及消音器XYQ101；

富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体（一级产品气）送至第一缓冲罐P1；图中标为：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V3A、V3B；该回路通过管路与第一缓冲罐P1连通；

控制转移回路（即均压回路）：用于将一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端。图中标为：第一吸附塔101A的产物端与第二吸附塔101B的进料端之间的连接管路及切换阀门V4B，第二吸附塔101B的产物端与第一吸附塔101A的进料端之间连的接管路及切换阀门V4A；

清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐P1的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；图中标为：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V5A、V5B；控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐P1连通，在该管路上设有控制阀门V5C，用以控制清洗用的气体流量；

第一级PSA的吸附塔中填充氮吸附剂；

第二级PSA包括至少两个吸附塔（图中标为第三吸附塔201A和第四吸附塔201B）、一个压缩机AB201、一个第二缓冲罐P2、一个第三缓冲罐P3、一个第四缓冲罐P4，以及各种连接管路和管路上必要的控制阀门；第二级PSA的吸附塔中填充氧选择性等吸附剂，该吸附剂能从含氧、氩混合气中吸附氧气；第二缓冲罐P2与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接受自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的废气送回到吸附塔的出口端进行预充压；第三缓冲罐P3与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接收自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的工艺气体送回到吸附塔的出口端进行置换吸附剂气相的高纯度气体，并借助压缩机AB201(或者真空泵)作为产品输出，或者排向一个并非完全必要的产品气缓冲罐；压缩机AB201与吸附塔的入口端通过控制阀门相连通，用以将被吸附塔吸附的气体通过控制阀门自吸附塔中取出；各种连接管路和管路上必要的控制阀门组成下述回路：

进料回路：用于把第一级PSA中第一缓冲罐P1即产品气缓冲罐的气体引入第二级PSA的吸附塔中；该回路包括对应于各吸附塔的切换阀门（图中标示为V6A、V6B），以及必要的连接管线；

富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔与压缩机AB201通过控制阀门相接通，将气体自吸附塔取出，输送至产品气缓冲罐P4；该回路包括对应于各吸附塔的切换阀门（图中标示为V7A、V7B）和对应于产品气缓冲罐P4的控制阀门（图中标示为V7C），以及必要的连接管线；

贫氧气体输出回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第二缓冲罐P2或者将第二缓冲罐P2的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门（图中标示为V8A、V8B）和对应于第二缓冲罐P2的控制阀门（图中标示为V8C），以及必要的连接管线；

贫氧气体转移与置换回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐P3或者将第三缓冲罐P3的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门（图中标示为V9A、V9B）和对应于第三缓冲罐P3的控制阀门（图中标示为V9C），以及必要的连接管线；

置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门（图中标示为V10A、V10B），与第四缓冲罐P4之间的控制阀门（V10C），以及必要的连接管线；该回路是优选的，非必要的；

产品气、废气出口（如缓冲罐P2、缓冲罐P4出口）段分别具有可调节流量、控制输出压力的阀门V8D、V6F以及必要的连接管线；

还包括如公知技术的，一套完整的控制组件，用以对回路上的阀件进行必要的操作控制以及对压缩机进行必要的操作控制。

本发明中，将上述第二级PSA中贫氧气体输出回路改为贫氧气体回收回路，即在第二级PSA的贫氧气体输出回路中，删去第二缓冲罐P2，而在切换阀门V8C出口与第一级PSA中的切换阀门V5C的入口之间用管路连接，并在该管路上设置单向阀DXF8A，构成贫氧气体回收回路。

经本发明改进的两级串联变压吸附制氧系统，其第一级PSA以采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，产生的富含氧、氩组分的混合气，其组分约O₂,90-95%;Ar,4～5%，其余为氮，如公知变压吸附技术，其氧气回收率通常为42～60%；第二级PSA采用氧选择性等吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，并将其中第二级氧氩分离系统产生的富氩贫氧气体回收至其中第一级氧氮分离系统，氧气的总回收率得到显著了显著的提高，可达30～35%，较传统技术提高了5-10%。

有关本发明中的部分名字释义如下：

所说的产品气，是指较容易被吸附剂吸附的气体，如相对氧选择性吸附剂来说，氧气较容易被氧选择性吸附；

所说的废气，是指相对产品气来说难以被吸附剂吸附的气体，如氩气、氮气相对氧气来说较难被氧选择性吸附剂吸附；

所说的吸附塔，也可称为吸附器、吸附床、分离器，是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力；

所述变压吸附、吸附分离，PSA等词，本专业的技术人员会承认，这些方法所指不仅是PSA方法，还包括与之类似的方法，如真空变压吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更宽广的意义上理解，也就是说，对于周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，可以包括大于或等于大气压力，而周期性循环的解吸压力，一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，则包括小于或等于大气压力；

提到的压力除注明是表压，其它均指绝对压力；

所述的难吸附组分，是指相对于较为容易吸附的组分而言，同样的，易吸附组分则是指相对于较难吸附的组分而言。

附图中，以V打头的符号代表自动控制阀门：如V1A/V1B，V2A/V2B，V3A/V3B，V4A/V4B，V5A/V5B/5C，V6A/V6B/V6C/V6D/V6E/V6F，V7A/V7B/V7C/V7D，V8A/V8B/V8C/V8D，V9A/V9B/V9C，V10A/V10B/V10C，等等，都是自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，当然，也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动控制阀；

DXF8A，代表单向阀，也称为逆止阀，止回阀；

01A，01B，101A，101B，201A，201B等是吸附塔编号，装填有至少一种或多种吸附剂；

P1，P2，P3，P4等代表缓冲罐或称为平衡罐；

AB01，AB101，AB201等代表压缩机、升压设备。

XYQ101代表消音器。

本发明通过在串联的两级分离系统的第二级氧氩分离系统中设置了贫氧气体回收回路，与现有技术相比较，系统的总回收率得到显著的提高。本发明的两级串联并均基于平衡吸附机理的变压吸附制氧系统（氧氮氩分离），按照下述步骤运行：

一、经公知技术预处理后的压缩空气进入第一级采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，自动阀门在按照如下表规定的切换，两个吸附塔101A，101B异相顺序运行，产生富含氧、氩组分的混合气其组分约O₂:90-95%，Ar:4～5%，其余为氮，收集于第一缓冲罐P1；其操作步骤如下表：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态。

上述描述的阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0-100%之间的任意合适的开启度。

上述各步骤中，接受前级如公知技术经压缩设备压缩并净化处理后的压缩空气，典型的压力为0.5-0.8MPa表压。

上述步骤顺序运行，并循环重复上述1-12的步骤即可实现氧氮分离，如附图所示的分离装置，典型的，可产生氧氩混合气，其组分约O₂：90-95%，Ar：4-5%，其余为氮。

二、经第一级PSA产生的富含氧、氩组分、含少量氮的混合气经第一缓冲罐P1出口管线进入第二级采用氧选择性吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，产生纯度达99.5%的高纯度氧气，收集于第四缓冲罐P4并经阀V6F输出为产品气，而其中富含氩气的贫氧废气则经贫氧气回收回路返回至第一级作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。

本发明中，第二级基于平衡吸附机理的变压吸附氧氩分离系统，自动阀门按照如下表规定的要求切换，吸附塔201A，201B两塔异相顺序运行，其具体步骤如下表所示：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态，可通过调整V6F、V8C加以控制高纯度氧气以及转移废气的流量。

上述描述的阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0-100%之间的任意合适的开启度。

上述各步骤中，压缩设备AB201均为运行状态。

上述步骤顺序运行，并循环重复上述1-10的步骤即可实现氧氩分离，如附图所示的分离装置，典型的，可将前级产生的氧氩混合气进一步达到纯度99.5%的氧气。

上述步骤中，前级由公知技术采用氮吸附剂的变压吸附获得组分约O₂：90-95%，Ar：4-5%，其余为氮的原料气，这些氧氩混合气进入装填有氧选择性等吸附剂的吸附塔时，较易吸附的氧气被吸附在氧选择性吸附剂上，而较难吸附的气体如氩气、少量氮气被富集从该吸附器出口排出，并至少将有一部分富集了这种难以吸附的气体如氩气、氮气进入吸附器出口相连通的、通往前级吸附系统的贫氧气回收回路并进入前级系统作为预充压气或者清洗气，在后级的吸附过程中可控制阀门控制气体流率，在原料气进入吸附塔时控制该阀门的开度始终维持恒定的预定的吸附压力，也即，在进料的初始阶段，有较小的开度，随着进料进行，塔内压力逐步升高，该阀开度逐步开大，以达到控制吸附塔内压力基本恒定的目的。

本发明中，通过贫氧气回收回路，在如吸附塔101A的进料步骤2，或吸附塔101B的的进料步骤8中，因引入的贫氧混合气提高了进料的氧气量，并且，在如吸附塔101A的清洗步骤11，或吸附塔101B的的清洗步骤5中，因引入的贫氧混合气减少了来自第一缓冲罐P1的氧气用量，提高了运行总效率，有效的减少了清洗用产品气用量及回收了后级氧氩混合气中氧气的量，从而使得氧气回收率得到了显著的提高，单向阀DXF8A可在转移气体的过程中即使控制失效也能及时终止低纯度的气体因压力差而流动至第二级吸附系统，避免转移过度，这点对高纯度系统的设计也尤为重要。

本发明适合以变压吸附（包括PSA，VPSA、VSA）方法从含氧、氮、氩的混合气中分离高纯度的氧气。

本发明优选采用中国专利CN101733070A公开的氧选择性吸附剂作为氧氩分离吸附床层的主要吸附剂层，用于氧氩分离的这种氧选择性吸附（稀土X型沸石）比现有技术传统使用的吸附剂（比如碳分子筛、X型载银沸石AgX，TEC's）效果更好：

首先，稀土X型沸石与碳分子筛比较，前者是平衡吸附型分子筛，后者是速率吸附型分子筛，典型的现象是在针对氧氩混合气，在一个足够长的时间内达到平衡的吸附量比较而言稀土X型沸石吸附氧气的量比吸附氩气的量差异很大，碳分子筛则表现不同，在一个很短的时间内（通常是几秒）较容易吸附氧气，与氩的吸附量比较有所不同，但是，在一个足够长的时间内达到平衡的吸附量比较而言碳分子筛吸附氧气的量与吸附氩气的量基本一致；

其次，稀土X型沸石与X型载银沸石AgX比较，两者都是平衡吸附型分子筛，典型的现象是在针对氧氩混合气，在一个足够长的时间内达到平衡的吸附量比较而言稀土X型沸石吸附氧气的量比吸附氩气的量大，载银沸石AgX则表现不同，在一个足够长的时间内达到平衡的吸附量比较而言载银沸石AgX吸附氩气的量比吸附氧气的量大；

稀土X型沸石与TEC's比较，基本特性一致，都是平衡吸附型分子筛，但稀土X型沸石具有更高的氧平衡吸附量，其纯组分氧氩平衡吸附量之比，也即通常说的绝热分离系数，在一个通常可以接受的温度范围内，比如，0～55℃的操作条件下也有更好的表现，既具有较高的吸附容量，又具有极高的绝热分离系数；

本发明描述的氧氮、氧氩分离过程是均采用2个吸附塔的分离过程，但不排除使用更多个吸附塔进行分离，但采用了至少1个缓冲罐P1、1个缓冲罐P3，产品气缓冲罐P4并非必要，可直接将富集的组分直接输出给用户使用，示出是为了介绍方便，本专业的技术人员会知晓，可以简单采用必要的控制阀门，通过设置一些必要的管线，可以满足如上各个步骤所需即可；

采用第三缓冲罐P3的目的可以使得多个吸附塔运行的系统之间不相互连通，也即在多个吸附塔按照上述步骤运行时不产生相互之间的气体转移，这一特点可以使多个吸附器完全按照吸附饱和即可切换成解吸的原则进行，并且，本专业的技术人员会了解，这样的设计可以让吸附塔顺序运行，而使得进行扩展更加简单，并且，第三缓冲罐P3使得至少1个吸附塔的分离系统可以更具有效率，如本专利描述，缓冲罐还使得多个吸附塔的系统可以不采用塔间的相互作用而取得更高的回收率，而显然，与一个缓冲罐的低廉造价比较，回收更高纯度、更多的产品气更具有价值。

通过在产品气体缓冲罐中甚至在吸附塔入口与出口端设置必要的气体检测设备以及在吸附塔、缓冲罐等位置上安装必要的压力检测，可以设计成一种完全按照所需压力与纯度来运行的系统，需要的智能控制程序支持尽管看起来很复杂，但实现起来却并不困难，有经验的技术人员可能已经发现，设备的调试过程几乎就是系统自适应到稳定的过程，在故障的判断上，控制程序将给予维护维修人员更充分的信息，甚至直接指定故障点。

以上描述的或附图所示的方法和装置中，可作出各种各样的变动而不会背离本发明的范围。因此，本方法虽然优选使用的是任何要求的构造形式、即或是固定容积、或是固定压力的2个吸附塔和2个缓冲罐以及必要的动力设备，但本方法也可利用两个以上的吸附塔和多个贮存罐、多个动力设备。再者，本发明通过吸附塔的气流型式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的型式，关于吸附塔内装填的吸附剂，每个都可包括有多个主要吸附层，或者也可没有或设有一个或更多的预处理层用以吸附其它组分如水汽、二氧化碳等。另外，每个吸附剂层可包括单一品种的吸附剂或两种或两种以上吸附剂的混合物。

本发明可以用于用一种吸附剂从难吸附的气体中分离出容易被吸附的气体，易吸附组分或者难吸附组分都可以单独或者同时作为所需的产品气。本发明优先应用于基于平衡吸附理论而非动力学分离理论的PSA过程，但不排除基于动力学分离理论的PSA过程可以采用本发明以实现本发明目的。所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本发明的方法可以实现分离的典型实例包括用选择氮的吸附剂来从空气中回收氮；用选择氧的吸附剂来从空气中回收氧；用选择CO的吸附剂来从气化煤中富集CO；用选择CO2的吸附剂来从气化煤中祛除二氧化碳；二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烷烃的分离等等。在基于平衡吸附理论的PSA过程中，从含氧气和氩气的气体例如变压吸附空气分离制取的混合气中分离氧气或氩气是最典型的代表，可使用一种或者多种适当的吸附剂的任何组合来吸附，例如，不限于使用CaA沸石、LiX沸石、或者任何其它的特效吸附剂来回收氧或氮，难以被选择性吸附的气体自非进料端富集而较容易被选择性吸附的组分自进料端富集。

附图说明

图1为本发明两级串联并均基于平衡吸附机理的变压吸附制氧系统结构图示。

图2为现有的两级串联并均基于平衡吸附机理的变压吸附制氧系统结构图示。

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例以进一步描述本发明。

如图1所示，装置主要由如下组件组成：

第一级PSA：

（1）两个吸附塔101A、101B，每个吸附塔装填有上海某有限公司生产的SSAT#OC60低硅LiX制氧分子筛(氮吸附剂)105kg，该吸附剂能吸附氮气；

（2）一个第一缓冲罐P1，容积200L，装填有增强缓冲效果的吸附剂；

（3）一套包括如下回路以及各回路上必要的控制阀件、连接管线：

进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门（图中标为V1A、V1B）；

废气排除回路：用以选择性的将吸附塔吸附的氩气等废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门（图中标为V2A、V2B），以及消音器XYQ101；

富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体（一级产品气）送至第一缓冲罐P1；图中标为：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V3A、V3B；该回路通过管路与第一缓冲罐P1连通；

控制转移回路（即均压回路）：用于将一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端。图中标为：第一吸附塔101A的产物端与第二吸附塔101B的进料端之间的连接管路及切换阀门V4B，第二吸附塔101B的产物端与第一吸附塔101A的进料端之间连的接管路及切换阀门V4A；

清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐P1的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；图中标为：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V5A、V5B；控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐P1连通，在该管路上设有控制阀门V5C；

第二级PSA：

（4）两个吸附塔201A、201B，该吸附塔装填上海偲达弗材料科技有限公司生产的氧选择性吸附剂75kg，该吸附剂能从含氧、氩混合气中吸附氧气；

（5）一个第三缓冲罐P3，容积100L，装填有增强缓冲效果的吸附剂；

（6）优选但非必要的一个第四缓冲罐P4，容积200L，装填有增强缓冲效果的吸附剂；

（7）一台氧气压缩机，装机功率5.5KW，升压能力0.4MPa（表压），容积流量40m3/h；

（8）一套如下回路以及各回路上必要的控制阀件、连接管线：

进料回路：用以选择性的将氧氩混合气（原料气）送入吸附塔，至少包含切换阀门V6A，V6B以及必要的管线；

富氧产出回路：用以选择性的将氧氩混合气（原料气）经压缩机AB201排出吸附塔至缓冲罐P4，至少包含控制切换阀门V7A，V7B，V7C以及必要的管线；

贫氧气体转移与置换回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐P3或者将第三缓冲罐P3的气体转送入吸附塔的出口端，至少包含控制切换阀门V9A、V9B、V9C，以及必要的管线；

优选但非必要的一套置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，至少包含控制切换阀门V10A、V10B、V10C，以及必要的管线；

产品气、废气转移出口，如第四缓冲罐P4出口段分别具有可调节流量、控制输出压力的阀门V8C、V6F以及必要的管线；

贫氧气体回收回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第一级PSA吸附系统，即经控制切换阀门V5A、V5B、V5C送入第一级PSA吸附塔的产物端，至少包含控制切换阀门V8A、V8B、V8C，DXF8A以及必要的管线；

（9）一套完整的控制组件：用以对回路上的阀件进行必要的操作控制以及对压缩机进行必要的操作。

由上述组成的装置，第一级PSA如公知技术的基于平衡吸附机理的采用氮吸附剂的变压吸附制氧系统，产生氧氩混合气，自动阀门在各步骤中按照如下表规定的要求切换，吸附塔101A，101B两塔异相顺序运行，基本步骤如下表所示：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态。

上述描述的阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0-100%之间的任意合适的开启度。

上述各步骤中，接受前级如公知技术经压缩设备压缩并净化处理后的压缩空气，典型的压力为0.5-0.8MPa表压。

上述步骤顺序运行，并循环重复上述1-12的步骤即可实现氧氮分离，如附图所示的分离装置，典型的，可产生氧氩混合气，其组分约O₂：90-95%，Ar：4-5%，其余为氮。

由上述流程产生的氧氩混合气，进入第二级PSA，继续按照下述步骤进行基于平衡吸附机理的变压吸附氧氩分离。自动阀门在各步骤中按照如下表规定的要求切换，吸附塔201A，201B两塔异相顺序运行，基本步骤如下表所示：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态，可通过调整V6F、V8C加以控制高纯度氧气以及废气转移的流量。

上述描述的阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0-100%之间的任意合适的开启度。

上述各步骤中，压缩设备AB201均为运行状态。

上述步骤顺序运行，并循环重复上述1-10的步骤即可实现氧氩分离，如附图所示的分离装置，典型的，可将第一级产生的氧氩混合气进一步达到纯度99.5%的氧气；由上述组成的装置，第一级变压吸附系统装填氮吸附剂，消耗了141m3/h的0.6MPa的压缩空气，产生了15m3/h，95%纯度的氧气，氩气为4.5%，其余为氮气等气体，出口压力为0.5MPa（表压），经第一级产生的这种富含氧、氩组分、含少量氮的混合气经第一缓冲罐P1出口管线进入第二级采用氧选择性吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，产生的氧气纯度达99.5%，收集于第四缓冲罐P4并经阀V6F输出为产品气，其流量为10m3/h，输出压力0.25MPa（表压），则：

第一级氧氮分离系统的氧气回收率为：

（15.0×95%）/（141×20.95%）=48.2%

第二级氧氩分离系统的氧气回收率为：

（10.0×99.5%）/（15×95%）=69.8%

两级变压吸附的总氧气回收率可达：

48.2%×69.8%=33.64%

而如对比例附图2的传统技术，其氧气的总回收率仅可达到25%，比较对比例，本发明的氧气总回收率提升了25%以上，效果显著。

Claims (4)

1.一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，其中，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；其特征在于：在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一贫氧气回收回路，用于将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。

2.根据权利要求1所述的能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，其特征在于：

第一级PSA包括至少两个吸附塔（101A、101B）、第一缓冲罐（P1），还包括各种控制阀门及连接管路，控制阀门包括V1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C，这些控制阀门和管路分别组成吸附塔之间组成下述回路：

进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门（V1A、V1B）；

废气排除回路：用以选择性的将吸附塔吸附的氮气、氩气等废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门（V2A、V2B），以及消音器XYQ101；

富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体即一级产品气送至第一缓冲罐（P1）；该回路包括：两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门（V3A、V3B）；该回路通过管路与第一缓冲罐（P1）连通；

控制转移回路：用于将一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端；该回路包括：第一吸附塔（101A）的产物端与第二吸附塔（101B）的进料端之间的连接管路及切换阀门（V4B），第二吸附塔（101B）的产物端与第一吸附塔（101A）的进料端之间连的接管路及切换阀门（V4A）；

清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐（P1）的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；该回路包括：两个吸附塔出口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门（V5A、V5B）；控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐（P1）连通，在该管路上设有控制切换阀门（V5C）；

第一级PSA的吸附塔中填充氮吸附剂；

第二级PSA包括至少两个吸附塔（第三吸附塔201A、第四吸附塔201B）、一个压缩机（AB201）、一个第三缓冲罐（P3）、一个第四缓冲罐（P4），以及各种连接管路和管路上必要的控制阀门；第二级PSA的吸附塔中填充氧选择性吸附剂，该吸附剂能从第一级PSA产生的含氧、氩混合气中吸附氧气；第三缓冲罐（P3）与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接收自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的工艺气体送回到吸附塔的出口端进行置换吸附剂气相的高纯度气体，并借助压缩机（AB201)作为产品输出，或者排向一个并非完全必要的产品气缓冲罐；压缩机（AB201）与吸附塔的入口端通过控制阀门相连通，用以将被吸附塔吸附的气体通过控制阀门自吸附塔中取出；各种连接管路和管路上必要的控制阀门组成下述回路：

进料回路：用于把第一级PSA中第一缓冲罐（P1）即产品气缓冲罐的气体引入第二级PSA的吸附塔中；该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V6A、V6B），以及必要的连接管线；

富氧产出回路：用以选择性的将吸附塔与压缩机（AB201）通过控制阀门相接通，将气体自吸附塔取出，输送至产品气缓冲罐（P4）；该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V7A、V7B）和对应于产品气缓冲罐（P4）的控制切换阀门（V7C），以及必要的连接管线；

贫氧气体转移与置换回路：用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐（P3）或者将第三缓冲罐（P3）的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V9A、V9B）和对应于第三缓冲罐（P3）的控制切换阀门（V9C），以及必要的连接管线；

置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门（V10A、V10B），与第四缓冲罐（P4）之间的控制切换阀门（V10C），以及必要的连接管线；

贫氧气体回收回路，包括第二级PSA中第三、第四吸附塔的贫氧气出口至第一级PSA中切换阀门V5C的入口之间的连接管路，以及该管路上对应于第二级PSA中第三、第四吸附塔的两个切换阀门（V8A、V8B）、中间的控制切换阀门（V8C）、单向阀DXF8A。

3.一种基于权利要求1所述的能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统的操作方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一、经预处理后的压缩空气进入第一级采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，第一、第二两个吸附塔（101A，101B）异相顺序运行，产生富含氧、氩组分的混合气其组分O₂:90-95%，Ar:4～5%，其余为氮，收集于第一缓冲罐（P1）；其中，各自动阀门在按照下表规定操作步骤切换：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态；所述经预处理的压缩空气的压力为0.5-0.8MPa表压；所述阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0～100%之间的任意合适的开启度；

其中，各阀门符号说明如下：

V1A、V1B为进气回路中对应于吸附塔的切换阀门；

V2A、V2B为废气排除回路在中对应于吸附塔的切换阀门；

V3A、V3B为富氧产出回路中对应于两个吸附塔切换阀门；

V4A、V4B为控制转移回路中第一吸附塔（101A）与第二吸附塔（101B）之间的连接管路上切换阀门；

V5A、V5B为清洗回中对应于两个吸附塔切换阀门，V5C为控制清洗回路与第一缓冲罐（P1）连通管路上的控制切换阀门；

V6A、V6B为进料回路中对应于两个吸附塔的切换阀门；

V7A、V7B为富氧产出回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V7C为对应于产品气缓冲罐P4的控制切换阀门；

第二级PSA中第三、第四吸附塔的两个切换阀门（V8A、V8B）、中间切换阀门（V8C）、单向阀DXF8A；

V8A、V8B为贫氧气体回收回路中，对应于第三、第四两个吸附塔的切换阀门，V8C为该回路中的中间的控制切换阀门；

V9A、V9B为贫氧气体转移与置换回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V9C为对应于第三缓冲罐（P3）的切换阀门；

V10A、V10B为置换清洗回路中，对应于两个吸附塔的切换阀门，V10C为与第四缓冲罐（P4）之间的切换阀门；

V8D、V6F分别为产品气、废气出口段具有可调节流量、控制输出压力的阀门；

步骤二、经第一级PSA产生的富含氧、氩组分、含少量氮的混合气经第一缓冲罐（P1）出口管线进入第二级采用氧选择性等吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，产生纯度达99.5%的高纯度氧气，收集于第四缓冲罐（P4）并经第四缓冲罐（P4）的控制阀门（V6F）输出为产品气，而其中富含氩气的贫氧废气则经贫氧气回收回路返回至第一级作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。

4.根据权利要求3所述的能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统的操作方法，其特征在于第二级基于平衡吸附机理的变压吸附氧氩分离系统，第三、第四两个吸附塔（201A，201B）异相顺序运行，其中，自动阀门按照如下表规定的操作步骤切换：

上述步骤除指定开启阀门之外的阀门全部为关闭状态；压缩机（AB201）均为运行状态；

上述阀门开启至合适的开度指可控制气体流率的阀门自0～100%之间的任意合适的开启度。

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