CN1038908C - 分离空气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从原料空气中分离特种成分气体的方法和设备，其中，把粒状吸附剂装进密封空间里成层状，再把原料空气吹送到所说的吸附剂层内，并和与原料空气对流的所说的粒状吸附剂接触，使易吸附的气体被吸附剂吸附，再逐渐将所说的粒状吸附到送至第二密封空间，把所说的易吸附气体从所说的粒状吸附剂中解吸并将粒状吸附剂再活化，之后，将再活化后的粒状吸附剂送回到所说的密封空间里重新使用，这样就无需频繁操作阀门进行开关，以至于能进行分离并生产出高纯优质的气体产品。

Description

分离空气的方法和设备
本发明涉及一种从空气中分离特定成份如氧、氮等的方法，以及用于该方法的设备。
虽然有很多种方法用来从混合气如空气中分离特种成分气体(气体产品)如氮气和氧气，但是近来普遍采用使用吸附剂的分离方法，这是因为容易设计装置并且设备便宜。通常将这种使用吸附剂的分离方法称作PSA法，其中，多个吸附塔装填有吸附剂，各种操作如将混合气送入这些吸附塔、吸附特殊成分气体、解吸特殊成分气体以及吸附剂再生的操作都是通过开关阀门交替地进行。原料气的供应是在加压条件下进行，而特殊成分气体的解吸是在常压或抽真空下进行。在PSA方法的装置中，因为要连续不断地进行上述几项操作，所以开和关阀门的次数非常高，从而导致阀门寿命缩短。同时，阀门频繁地开关增加了吸附塔内压力的波动。结果，特种气体成分纯度波动增加的障碍就产生了。在压力平衡时，瞬时大量地流入气体也会不可避免的产生噪音。况且在装置中的每个吸附塔不得不安装在同一平面上，以至该装置就需要庞大的空间。
本发明的目的就是省去频繁开关阀门的操作，消除由压力波动引起纯度的不均匀性以及噪音，实现高产并节约场地。
为了实现上述目的，本发明的首要一点就是指一种分离空气的方法，该方法包括：在第一密封空间中以层状填装粒状吸附剂的滞留过程；从延伸进粒状吸附剂层中的喷咀开口端吹出原料空气以吸附空气中易吸附到粒状吸附剂上的气体并留下难吸附气体的吸附-分离过程；将保持成层状的粒状吸附剂逐渐送到处在减压状态的第二密封空间的输送过程；在所说的第二密封空间从粒状吸附剂解吸易吸附气体并使粒状吸附剂再活化的解吸-活化过程；以及把活化后的粒状吸附剂送回到所说的滞留过程的返回过程。
本发明的第二个要点是指分离空气的装置，包括一装有粒状吸附剂的用以由所述粒状吸附剂从原料空气中吸附易被吸附的气体的吸附塔、一用来从吸附有易被吸附的气体的粒状吸附剂解吸易被吸附的气体并再活化所述的粒状吸附剂的解吸-再活化容器、一用来使所述的解吸-再活化容器减压成减压状态的设备、一向所说的吸附塔引进原料空气的供应原料空气的设备以及一导出从原料空气中已分离气体的输出设备，其中所说的吸附塔内安装有数块隔板，隔板上以层状堆积着的粒状吸附剂与上升气流对流接触，并且粒状吸附剂逐渐被送到所述的解吸-再活化容器，在所述的解吸-再活化容器与吸附剂塔之间安装有供再活化后的吸附剂返回的设备，所说的提供原料空气的设备的末端与在所说隔板下的吸附塔部分相连，在所说的隔板处安装用来吹出原料空气的喷咀和供所说的粒状吸附剂逐渐向下流动的流动孔，所述的流动孔设置在用来吹出原料空气的喷咀安装处以外的不同位置，而所说的喷咀的开口端处在所说的粒状吸附剂的层中并被线网覆盖以防止粒状吸附剂进入。
本发明中，不象广泛使用的PSA法，使其中吸附剂固定在吸附塔中，而是将粒状吸附剂装进第一密封空间，例如吸附塔里的吸附空间里。使作为原料气的空气从喷咀吹入成层状的粒状吸附剂中，而使上述吸附剂与供助压力吹出的对流的空气接触，以便把空气中的易吸附气体吸附到吸附剂上。然后将吸附了所说的易吸附气体的吸附剂逐渐送至以减压状态准备的第二空间内，如解吸-活化器里，并在那里解吸掉吸附的气体，吸附剂同时被再活化。这样，再活化后的吸附剂再返回到第一个密封空间内重新循环使用。以这种方式，因为本发明中在粒状吸附剂的传送过程中能够重复使用地进行易吸附气体的吸附和解吸作用，所以不需要PSA方法中所需的大量阀门和频繁开关阀门，而且压力的起伏明显地减少而在将分离的气体作为产品取出时排除了本发明产品纯度的不均匀性。况且按照本发明，因为吸附剂装在吸附塔等的吸附空间里呈层状，原料空气从喷咀吹出，所以在上述密封空间里，吸附剂只与所述空气静接触，这就能抑制由于吸附剂急速传输的碰撞而引起吸附剂的粉化现象。
现在进一步详细描述本发明。
作为本发明意用的空气的分离，有如从空气中浓缩和回收特殊气体如氧、氮等以及纯化空气等。
此外，作为本发明使用的粒状吸附剂有沸石、硅胶、活性铝土、活性碳等，它们可单独使用，也可以结合使用。例如，可以用沸石分子筛作为氮的吸附剂，碳分子筛作为氧的吸附剂、沸石分子筛作为二氧化碳的吸附剂等。
另外，硅胶和活性铝土也适合使用于defumidification，而活性碳等可用来吸附空气中的烃。这些吸附剂为适应能够运输，就要求它们成颗粒状。在本发明中，颗粒状态就表明以此状态形成吸附剂能运输，而颗粒的形状和大小都不应作为问题提出，虽然如球形的最好，但不管形状是扁平的，丸粒状的、细粉、或超细粉末的都不会影响本发明。
图1是表示本发明具体实施方案的流程示意图。
图2是图1中圆圈A部分的放大图。
图3是图1中所说A部分的平面放大图。
图4是图1中圆圈B部分的放大图。
图5是粒度分级器24的剖面放大图。
图6是另一幅表示本发明另一具体实施方案的流程示意图。
图7是图6中圆圈A′部分的放大图。
以下是具体实施方案的实例说明
实施例
图1表示分离空气中氧作为产品气的实例，其中，把空气作为混合气(原料气)。图中，原料气通过空气过滤器1和连续吸附干燥器系统2，经鼓风机3压缩进入安装在吸附塔4下面的吸附-再活化器5内的热交换器5a中。在吸附-再活化器5中，从在吸附塔4中吸附了氮气的粒状吸附剂(下文称为吸附剂)14上解吸掉氮气(易吸附的气体)以活化吸附剂14，并靠真空泵6经常地保持吸附-再活化器5处于减压状态。热交换器5a加热所说吸附剂14，促进氮解吸，这就是，当吸附剂14吸附气体时，吸附剂14是放热的，而解吸时，吸附剂14是吸热的，所以当吸附剂14的温度随着在上述吸附-再活化器5中解吸的增加而降低时，氮气就难以解吸。本例中，上述热交换器5a有从鼓风机3进来的原料气带进的压缩热，而所说的吸附剂14就被压缩热加热，抑制了吸附剂14的温度下降。因此，吸附剂14的解吸速度等就不会降低。于是加热吸附剂14的原料气经后冷却器7冷却，再在一水冷却的冷却系统8中进一步冷却，并被引进其中温度控制在-40°至40℃范围内的吸附塔4里。用一对隔板9和10把所说的吸附塔竖着分隔成三部分，隔板9和10之间的空间形成为吸附空间11。在图2和平视图3中表示的上述隔板9上形成数个能吹出原料气的喷咀12和能逐渐流下吸附剂14的流动孔13。线网12a覆盖在喷咀12的开口端，以便能防止吸附剂14进入。流动喷咀13a从孔13向下延伸到均匀分散在空间里的吸附剂14上。标数15是指为引进原料气安装在隔板9之下形成空间的一块隔板，而所说的流动啧咀13a穿过隔板15向下延伸。通过吹送压力使原料气与堆积在隔板9上的吸附剂14接触并被吸附，吸附剂按它下部的次序取道流动通道13和流动喷咀13a向下流动。向下流动的吸附剂14通过在上述吸附空间11内接触-吸附而吸附了氮气。在吸附空间11的上部空间里充满了氧气，这就是说，原料气中的氮气被所说的吸附剂14吸附并除去，结果氧气则保留并存储在吸附空间11的上部。标数16是产品氧气排出管线16，用来排出氧气而作为产品氧气。构成吸附空间11顶板的隔板10具有图4所示的结构。与图2所示隔板9的同样方式，盖有线网12a的喷咀12和装有流动喷咀13a的流动孔13都设置在隔板10上。只在屏壁15′的中心形成切开的通道15a，保持在吸附空间11上部的部分氧气被引入其中。引入的氧气取道喷咀12和吸附剂14容器里的上层空间通过排气管17排放到外面。这样，吸附塔4内的压力几乎保持不变。在吸附塔4中，使流经流动孔13和安装在隔板9上的喷咀13a流下来的吸附剂14(吸附了氮气的)通过总是以恒定速度反时针转动的回转阀18向下流到第一个缓冲容器19。第一个缓冲容器19安置在吸附塔4和上述的解吸-再活化器5之间，并具有保持解吸-再活化容器5处于真空状态的作用。另一个总以恒定速度逆时针转动的旋转阀20安装在上述的第一缓冲器19的下面，它逐渐地将第一缓冲器19内的吸附剂14输进解吸-再活化器5中。正如上文所述，解吸-再活化器5靠真空泵6抽吸真空动力进行减压成减压状态(最好是10～500乇)，并由热交换器5a的效应加热，以便有效地进行氮气的解吸。将其中解吸了氮气的再活化后的吸附剂14由一安装在解吸-再活化器5下面的以恒定速度逆时针转动的旋转阀21排送到第二缓冲器22里。设置第二缓冲器22是为了使吸附塔4内的压力不会通过输送系统23直接影响到解吸-再活化器5内。同时，第二个缓冲器22下面也安一个总是以恒定速度逆时针转动的第四个旋转阀22a，以便不断地供给经测定量的再活化后吸附剂进入传输系统23。在传输系统中，运输用的带式输送机(图中未表示)设置在水平段23a处，一斗式运输机(图中未表示出)设置在垂直段23b处。吸附剂14先水平输送，然后垂直输送回到吸附塔4的上部。在输送系统23的顶上安一个分级器24，目的是防止输送的吸附剂状况发生变化，所说变化是指分级并除去在上述输送过程中破碎并粉化的吸附剂14，并防止由于掺了粉状吸附剂引起的输送状况的变化。所说的分级器24构成如图5所示。也就是说，分级器有一外圆柱体25和一内圆柱体26，而且内圆柱体26由线网构成。
同时一台低频振动马达27安装在外圆柱体25的下面，以便内外圆柱体25和26都能振动。安装在外圆柱体26下面的渐缩管28通过软管29向外排出分筛出来的粉状吸附剂。标数30是一个把软管和渐缩管28连结起来的软管夹。由于上述分级器24的左右两边通过橡皮软管(图中未表示)连结输送管23，所以它能振动。把以这种方式再活化了的吸附剂14送到吸附塔4的上部，并如上文所述重新使用。
如上所述获得的产品氧气的纯度最好的记录是95.1％。而采用广泛使用填充分子筛的PSA三联塔装置所得氧气纯度为92％。(所说的PSA装置具有如上述例子的气体分离设备一样的性能)。另外，PSA固定床的产率约为50％，而在本实例中，产率为92％，这是非常高的。
虽然在如图1所示实例中，由真空泵6将所得氮气进行真空排气，并排到大气里，但如果需要，氮气就可以不用排到大气里而收集起来。
图6表示生产产品氮气和氧气的实例。在这个例子中，使氮气纯度提高的同时，经6a通过分流部分产品氧气回到吸附塔4内，再穿过吸附剂14来增进氧气的产率。进一步详细说明，图1中所示隔板9的那部分(参见图2)可由图7中所示有排气管的部分所代替，而以与图2所示的隔板9装置一样的方式在隔板9下增添一块隔板9′，并在实例中把隔板9′的部分和从排气管线6a延伸的回流管线6a’连结起来。这样用回流管线6a’的方式把引到隔板9’最下面部分上的氮气从隔板9’的喷咀12向上吹到分布在隔板9’上的吸附剂14层里，只有氮气被吸附，而使剩余物从喷咀13a向下流向吸附塔4的最下面，而杂质上升，并通过排气管30排出。其他部分是如图1中的一样。标数相同所指部件相同。本发明实例增加了氮气产品的纯度。这里所得氮气产品的纯度为99.93％。相反，以具有跟所述实例的装置大致相同性能的固定床PSA装置所得的氮气产品的纯度为约88％。
如上所述，本发明的方法包括在第一密封空间如在吸附塔中的吸附空间里以层状加装粒状吸附剂的过程，从喷咀里把原料空气吹入粒状吸附剂层中的过程，借吹出压力使上述吸附剂和对流空气接触以便易吸附的气体吸附到吸附剂上的过程，将上述已经吸附了易吸附的气体的粒状吸附剂逐渐地转移到第二密封空间中以在减压状态下使易吸附的气体解吸并再活化吸附剂的过程，以及将再活化后的粒状吸附剂重新返回到密闭空间例如吸附空间的过程。因此，不象广泛采用的PSA装置所使用的分离方法，无须频繁的开关阀门的操作，并减少了吸附塔内压力的波动，以至于分离生产出纯度高的稳定产品气成为可能。特别是本发明中所公开的装置不用大量的阀门，由于不必频繁操作开关阀门，所以它的使用期长。因为在吸附塔内，不存在由于频繁开关阀门而引起的压力波动，所以产品气的纯度也能保持稳定。况且，能得到产率比广泛使用固定床PSA装置的产率几乎高2倍。因为装置可用立体方式构成，所以减少了实际所需空间，还有，与连续吸附塔相比(热再活化系统)，虽然本发明的领域与其不同，但按照本发明的热真空再活化系统(PTSA)的装置表现出有效的再活化作用。而且由于采用本发明研制的隔板部件的输送床系统，所以限制了吸附剂的粉化。除此之外，它的优点是产品的数量和质量容易通过控制吸附剂的循环量，再活化设备中的再活化率(真空压力，温度等)等按需进行改变，而所需能量与损失不成比例。

Claims (4)

1.一种分离空气的方法，该方法包括在第一密封空间中以层状填装粒状吸附剂的滞留过程；从延伸进粒状吸附剂层中的喷咀开口端吹出原料空气以吸附空气中易吸附到粒状吸附剂上的气体并留下难吸附气体的吸附-分离过程；将保持成层状的粒状吸附剂逐渐送到处在减压状态的第二密封空间的输送过程；在所说的第二密封空间从粒状吸附剂解吸易吸附气体并使粒状吸附剂再活化的解吸-活化过程；以及把活化后的粒状吸附剂送回到所说的滞留过程的返回过程。
2.根据权利要求1的分离空气的方法，其中使所说的第二密封空间被加热。
3.根据权利要求1或2的分离空气的方法，其中原料空气预先经压缩机压缩，并利用所说的压缩机的压缩热加热所说的第二密封空间。
4.一种分离空气的装置，包括一装有粒状吸附剂的用以由所述粒状吸附剂从原料空气中吸附易被吸附的气体的吸附塔、一用来从吸附有易被吸附的气体的粒状吸附剂解吸易被吸附的气体并再活化所述的粒状吸附剂的解吸-再活化容器、一用来使所述的解吸-再活化容器减压成减压状态的设备、一向所说的吸附塔引进原料空气的供应原料空气的设备以及一导出从原料空气中已分离气体的输出设备，其中所说的吸附塔内安装有数块隔板，隔板上以层状堆积着的粒状吸附剂与上升气流对流接触，并且粒状吸附剂逐渐被送到所述的解吸-再活化容器，在所述的解吸-再活化容器与吸附剂塔之间安装有供再活化后的吸附剂返回的设备，在所述的再活化容器与吸附塔之间安装有供再活化后的吸附剂返回的设备，所说的提供原料空气的设备的末端与在所说隔板下的吸附塔部分相连，在所说的隔板处安装用来吹出原料空气的喷咀和供所说的粒状吸附剂逐渐向下流动的流动孔，所述的流动孔设置在用来吹出原料空气的啧咀安装处以外的不同位置，而所说的用于吹出原料空气的喷咀的开口端处在所说的粒状吸附剂的层中并被线网覆盖以防止粒状吸附剂进入。
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