CN1061161A - 双重吸附流程 - Google Patents

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Abstract

一种在一级和多级中完成的双重吸附流程，每一 级都有普通床部分和逆向床部分，它可使流体混合物 中的低选择吸附轻组分从普通床部分被置换出来，并 能使高选择吸附的重组分从逆向床部分被置换出 来。可采用变压吸附和变热吸附流程。

Description

本发明涉及使用变压吸附（pressure  swing  adsorption）流程的气体分离。更具体地说，涉及用这种方法提高两个精制产品馏分的回收率。
变压吸附（PSA）流程和系统在获得含有高选择吸附组分和低选择吸附组分的进料气流的理想分离和净化技术领域里是众所周知的。当进料气体通过时，在较高吸附压下流过能选择性吸收所述高选择吸附组分的吸附剂床，则高选择吸附组分被吸收。继而降低床压至较低的吸附压力水平，高选择吸附组分从吸附剂中解吸出来。
PSA过程通常是在含有一个以上吸附剂床的系统中进行，每个床每次循环经受一个处理程序，包括（a）高吸附压进料-高选择吸附组分的吸附-排出抵选选择吸附的组分，（b）低压解吸一般从床的进料端除去低选择吸附的组分，（c）对床再加压至上述高吸附压。PSA流程特别适合于各种工业用途的空气分离操作，特别是使用不可能经济可行的低温空气分离装置的较小型操作。PSA流程也适合于空气或其它气体的干燥。
在这种干燥应用中，湿气体通过吸附剂床的进料端，作为其高选择吸附组分，优先吸附水。在床的进料端从吸附剂中除去水，床变为被水负载，并且对再通过的湿气来说减少了其吸附能力。随后，湿度减少的气体迂到吸附剂较干燥的区域，并且作为干燥进料气体产物从床的排放端出现。
随着这种干燥操作的继续，高选择吸附过的组分的吸附前沿，或传质区，从进料端朝着其排放端移动通过床直至吸附前沿到达排放端附近，几乎所有床全装载水。在进一步干燥之前，床必须再生，即被高选择吸附的水必须被解吸并从床中除去。PSA流程用于干燥时，被选择吸附的水可通过将床吸附压由高吸附压降至低解吸压而从床中除去，一般是通过逆流减压其中气体从床的进料端释放出来，并使干燥的清洗气体从其排放端至进料端流过床。这样，被较高选择吸附的水的吸附前沿被赶回床的进料端。在设计合理的系统中，当压力从较高吸附水平降下来时，即在压力减低的并流减压阶段和气体从床的排放端释放出来时，气体中水质杂的浓度将增加。因此，用于吸附和除去高选择吸附水的清洗气体量要比吸附期间被干燥气体的量少。部分干燥空气产品一般被用作清洗气体，和剩余的干燥空气一起作为最终产品流离开系统。
这种传统的PSA流程适合于空气干燥应用，因为湿的进料空气可大量获得，而且不需要空气有高度的回收率。也就是说，在清洗之后，废气流中的空气损失不是最重要的。然而，正如熟悉本技术领域的人所知，这一流程对于净化那些必须回收而不能有明显损失的有价值气体可能是不理想的，甚至是不满意的。
用于大量气体分离的典型PSA流程是通过选择吸附氮和少量杂质如水和二氧化碳，由空气生产氧。用于这种分离的PSA流程是传统的流程，类似于上述用于去除杂质的参考流程，不同之处是相应于水杂质，高选择吸附组分的浓度非常高。这导致在加压和减压阶段循环时间短并需要对气体进行合适的处理。用于由空气生产氧的具体PSA流程循环的典型实例在Batta专利，U.S.3，717，974和Hiscock等人的专利U.S.4，589，888中公开。而且，这种流程是满意的，至少部分满意，因为原料气体，即空气很容易得到，且产品气体即氧气的高回收率，对空气分离操作的经济可行性来说，不是必要的。
上述应用中，即空气干燥和回收氧产品的空气分离应用中，可高选择吸附的或较强吸附的组分从构成低选择吸附组分的产品中分离出来，即从干燥产品空气除去水或者从氧产品气体除去氮。这是典型的普通PSA流程。这种流程一般不适合用于更高选择吸附组分（所谓重组分）的净化。因此，普通的PSA流程循环对于由空气生产氧是满意的，但对于由空气生产氮却是不满意的。另一方面，由床的进料端释放的气体，与空气相比是富氮的，尽管对大多数实际应用来说过于不纯。
在其它应用中，期望回收高选择吸附组分或重组分作为产品气体，而低选择的或轻组分作为杂质而不是作为希望的产品气体被除去。Wilson专利，U.S.4，359，328介绍了一种用于此目的的逆向变压、吸附流程。这一过程最好在两个或多个床中进行，包括由（1）低压吸附，（2）加压至高压，（3）在所述高压下净化，（4）减压以便释放作为希望产品气体的高选择吸附组分，构成的流程循环。在该流程中，将进料气体如空气在低压下导入吸附床。将来自床的、主要是高选择吸附组分的排出流压缩至高压，并将一部分这种气体用作逆流清洗气体以便从床中除去低选择吸附组分。所述排出气体的剩余部分作为产品气体（即空气分离情况下的氮）被提取出来。
Wilson专利的流程表面上是所谓普通的PSA过程的逆流程。然而逆向的PSA流程在几个重要方面不同于普通的PSA流程。几个逆向流程操作之后，重组分将集中在低压流中和床的产品端，吸附一解吸前沿将在床中形成，而重组分在产品端富集。每个循环的低压阶段，前沿很容易破裂，因此允许某些轻的即低选择吸附组分进入产品流。鉴于这种和其它原因，逆向流程需要多个循环操作，还可能要以高的回收比或清洗比才能将重组分变成充分浓缩的。Wilson公开了，当普通PSA流程优选用于提高清洗流的氮含量时，氮浓度达88%，它使用空气（80%氮）作为进料气体。用逆向流程时，Wilson公开了氮的浓度达96%，且氮的回收率为31.5%。这对其中希望通过空气分离来生产氮的某些应用可能是满意的，即使氮的回收率较低。然而，在其它应用中，Wilson的逆向PSA流程有可能不能浓缩和净化那些必须以高产品回收率获得的有价值的气体。
浓缩混合气体中重组分即高选择吸附组分的另一种方法是使用并流-置换型的PSA流程。这种类型的PSA流程兼用了普通和逆向流程两者的某些特征。因此，进料气体如空气在高压下引入床的进料端并流向其排放端，而高选择吸附的重组分，即氮被吸附在床上。气体流的轻组分，即氧通过床并作为副产物或废气流排出。在空气-氧气前沿即相应于床的被吸附氮的前沿到达床的排放端之前停止进入床的进料气体流（即空气）。然后将富氮产品气体引入床的进料端，在床中形成第二前沿，即氮气-氧气前沿，这后者前沿移动比空气-氧气前沿快，最后它们在床的排放端附近合并，这时，床被高选择吸附的氮负载或饱和，当从床的进料端逆流减压时，该氮气被解吸并作为主要产品从床的进料端排出。使用一些回收的氧气作为清洗气体由排放端清洗床则得到更多的氮气产品。由此生产的氮气通常存积在贮存容器中，而一些上述氮气被压缩并用作并流清洗流。各种其它均压和再循环的流程步骤经常用于全面提高流程特性。用于由空气生产氮的具体并流置换流程业已在Werner和Fay专利U.S.4，599，094中和Lagree和Leavitt专利U.S.4，810，265中公开。这些流程可由空气以其两组分的高回收率生产氮和氧，通常氮是主要产品。在实际使用大直径吸附床的工业应用中，在生产高纯度氮的同时生产高纯度氧是很困难的。
另一方面，并流置换循环适合用于以高产品回收率从空气中获取氮气，这种循环在本技术领域所迂到的情况下并不是都能令人满意的。因此，发现当重组分是以较低浓度存在时，该流程并不特别有效。一般说来，在真空下或在远远低于吸附压的压力下进行高吸附组分解吸时，并流置换流程可以很满意地进行，但这种压力条件对许多气体分离或净化应用来说可能并不适合或不经济。
其它已知PSA流程的说明类似于移动床流程，参看“Principles  of  Adsorption  and  Adsorption  Processes”由D.M.Ruthven，Wiley和Sons，1984，pp，396-405。该流程可在某些情况下以高产品回收率生产高纯度气体，但它比较复杂而且成本高，通常需要使用许多吸附床和阀门。此外，当重组分的吸附等温线弯曲得很厉害时或当有几种具有不同平衡等温线的强吸附组分存在时，这种流程常常不能很好地进行。
在Keller和Kuo专利，U.S.4，354，859中叙述的另一PSA流程方法中，通过在吸附床两端施加循环的压力变化，使进料气体分离成两种产品流。这种流程和系统（称为分子闸门）使用活塞在床的两端产生循环气流和压力变化，同时，在中间点进料。调节这种对置活塞动作的容积位移和相角，以便控制流程的生产率和选择率。另一方面，该流程和系统可以产生两个产品流。它们很难按比例放大成工业规模并很难经济地操作。结果分子闸门方法还未用于工业规模的气体分离和净化操作。
因此，本领域需要一种改进的PSA流程，它比较简单，仅使用很少几个吸附床就能经济地用于净化和分离进料气体流，以高回收率获得期望的一种或多种产品气体。
本发明的目的之一是提供一种改进的PSA流程，该流程用于将多组分的进料气体流分离成两种净化流，而期望的净化产品气体没有明显的损失。
本发明的目的之二是提供一种改进的PSA流程，该流程能有效地将双组分气体流分离成两股纯净气体，并且所述气体流的两个组分的回收率都很高。
本发明的目的之三是提供一种改进的PSA流程，该流程用于从高选择吸附的气体中除去低选择吸附的杂质，以致以期望产品气体的高回收率生产净化的气体流。
本发明的目的之四是提供一种改进的PSA流程，该流程用于从低选择吸附的气体中除去高选择吸附的杂质，以致以期望产品气体的高回收率生产净化的气体流。
本发明的目的之五是提供一种改进的PSA流程，该流程用于从不纯的氩气流中除去痕量的氮以能生产出纯净的氩气流，而净化过程中氩气产品的损失仅为可忽略不计。
鉴于这些目的和其它目的的考虑，以下详细叙述本发明，在附属的权利要求中具体地提出其新特征。
每个吸附床被分成两个部分，在它们之间有一进料点以提一个完整的双重PSA流程和系统。第一部分按普通的PSA流程操作，第二部分按逆向PSA流程方式操作。在整个流程的每一步骤从一部分到另一部分以平滑的气流在两部分中进行操作。来自普通部分的低压流出气体穿过逆向部分的低压进料端，而来自逆向部分的高压流出气体穿过普通部分的进料端。混合气体或不纯气体进料流在高压或/和低压段期间，从普通与逆向部分之间的进料点进入。在本发明实践中，PSA流程和系统可以起到完整的双组分分离系统的作用，并以高回收率生产高纯度的轻和/或重组分。
以下参看附图详细地叙述本发明。
图1是说明本发明实践中所用的二床双重PSA系统的示意图。
图2是说明本发明实践中所用的四床双重PSA系统的示意图。
通过提供兼有普通和逆向PSA手段特征的PSA流程来达到本发明诸目的。本发明的整体双流程和系统可以生产纯净的和浓缩的产品流，而不会有不希望的产品损失，这种损失是在普通PSA流程的操作中其本身所固有的。本发明特别适用于从有价值的气体中除去轻组分或重组分杂质，它需要以很少的或忽略不计的损失，即高产品回收率，回收产品气体。
本技术领域的人可清楚地看出普通PSA流程一般在两个或多个床中进行，其中，在一个循环中，每个床都要经受一个加压一减压程序，在该程序中，高选择吸附的组分，或重组分在高吸附压下被吸附，而在低解吸压下被解吸出来。每个床的这种普通流程中，进料气体被压缩至高吸附压并压至床的进料端，重组分被选择吸收，而至少某些轻组分作为净化过的轻气体产品从排放端被除去。在高压吸附段期间从床的排放端除去的剩余气体可很方便地膨胀并用于提供低压，逆流清洗气体传至系统中另一个床的排放端。当第一个床的吸收容量接近耗尽时，随着高选择吸附组分的吸附前沿通过床到其排放端附近，进入床的进料气体流终止，而循环的减压阶段开始。此时，第一床一般是通过从床的排放端释放气体而被并流减压。因而，从床的排放端释放出的气体最好膨胀进入第二床，或系统中另外床的排放端，以使压力平衡和/或提供清洗气体。然后，随着并流减压和从床的进料端释放出气体，床被进一步减压，这种气体含有进料气体的高选择吸附组分并通往废气，或者当低选择吸附组分是期望的产品气体时而作为其它用途。在其低选择吸附压力水平通过向床的排放端添加清洗气体进行清洗之后，床被再加压至较高的压力水平。一般说来，借助于自来第二床或系统中经过减压的另一床排放端的气体的通过，床被初次再加压从低解吸压升至中等压力，以致达到所说第一床的排放端压力平衡的目的。然后，进料气体通过床的进料端，以便使其压力从中等压力增加至高的吸附压。然后继续在高吸附压下将进料气体通向床的进料端，不易吸附的组分随着循环操作在所述第一床中连续不断排出。
为了有效地操作，必须将基本上所有的被吸附重组分从床的进料端除去，并排至废气。某些最低量的轻组分必定会损失在废气中，它取决于所涉及的组分、床中所用的吸附剂材料和有关的压力比率等，以便由床吸附和清洗可高选择吸附的重杂质。轻气体组分的回收率主要受这些情况的限制，特别是受这种PSA流程中所特有的高吸附压和低解吸压之间的压力比的限制。因此，在涉及低选择值进料流的分离应用的低选择吸附组分的分离和回收中，普通PSA受到限制。
如上所述的普通PSA流程可以用各种流程变化来进行。因此，可采用真空和超大气压水平。还可采用多床系统，以一个循环为基础在每个床中进行循环处理程序与系统中每一个其它床中进行上述程序是连同起来进行的，以便进行压力变化步骤而不会中断整个系统的进料和产品流。在先有技术中已公开了许多不同的处理程序，如有关各种减压、压力平衡和清洗步骤方面的，以便提高具体分离流程的性能。所有这些变更方案都有缺点，即对回收轻的低选择吸附组分受到同样的固有的限制。
在逆向PSA流程实践中，在较低压力如常压下，进料气体传到系统的第一床。在此阶段，进料气体的低选择吸附轻组分被吸附，因为一开始它是处在比床中组分压力高的组分（或局部）压力下并在全部处理程序的每个减压步骤之后，这些处理程序包括（1）在低压下吸附，同时释放高选择吸附组分;（2）加压;（3）富集废气，即在高压下除去低选择吸附组分;以及（4）减压，同时在低压下释放高选择吸附的重组分作为期望的高纯净度的产品。因此，气体混合物的低选择吸附组分替代和耗尽吸附剂上被吸附状态的高选择吸附组分。结果，前进的高选择吸附组分的气相区领先于兼含高选择和低选择吸附气体组分的气相区。
在逆向流程的（2）阶段提高床中的压力导致高选择吸附组分的选择性吸附。这导致气相中的高选择吸附组分耗尽，而在低选择吸附组分方面有相应的气相富集。在（3）阶段，用容易吸附的组分清洗吸附床，用来从吸附床中除去富集低选择吸附组分的气相。因而，吸附床的减压结果使得高选择吸附组分以高纯净度从床中释放出来。其它的流程特征，如果需要，还可在逆向PSA流程实践中采用压力平衡步骤。然而，即使选择最佳流程特征和条件，在高压下（3）阶段中去除的废气流中仍然有相当数量的重组分存在。逆向PSA流程和系统适合于实际工业操作，因此适用于仅在低价值的进料气体流被处理时重组分产品的浓缩。
在图1中说明本发明的双重PSA流程和系统，其中，在二床系统其中间处将进料气体传到每个床。相反，上述提到的普通PSA和逆向PSA流程和系统中，进料气体传到每个床的进料端。图1实施方案中，线1中的进料气体用压缩器2压缩，或者通过阀门3从其两端之间中点5到吸附床4，或者通过阀门6从其中点8到吸附床7。从床4的上端排除的轻组分通过阀门9至线10以便作为轻组分产品气体回收。同样，从床7的上端排除的轻组分通过阀门11至所述线10以便作为所述轻产品气体回收。从每个床顶部排除的部分轻组分可通过含有阀门13的线12传到另一个床的顶部。
从床4底部排除的重组分可通过含有阀门15的线14以便通往含有阀门17的线16，作为重组分产品气体回收。同样，从床7底产排除的重组分可通过含有阀门19的线18以便通往所述产品线16。来自床4和床7的重组分也可分别通过阀门20和21以便通往压缩器22和备用贮存罐23，然后再加收作为重组分的产品或循环至系统。提供阀门24和25，以致系统可在不负载的情况下便于连续运转而不需要压缩进料气体和重组分产品流。
图2中所示系统基本上与图1的二床双重系统相同，不同之处是床在进料处被分割开，形成一个四床系统。因此，图2的实施方案采用了各自分开成对的床4和4a以及床7和7a，进料气体传至分别与每对床连通的处于其中间处的线5和8。
可以理解，本发明实践中，双重系统的上部分，即图1实施方案中床4及图2实施方案中床4和7的上部分，起着普通PSA流程系统的轻产品端的作用。同样，双重系统的下部分，即图1实施方案中床4和图2实施方案中床4a和7a的下部分，起着Wilson逆向流程中重产品端的作用。
为便于说明，请参看图2实施方案进行叙述，将包括轻和重组分的双组分，即低和高选择吸附组分混合物的进料气体通过线1至压缩器2以压缩成高吸附压。在整个处理循环的一部分，压缩过的进料气体通过阀门3至线5通向床4的底部。该进料气体流与来自床4a上端的排出气体流结合在一起向上通过床4，在其中重组分被吸附，留下的低选择吸附轻组分通过床并从床4中排出。一部分这种净化过的轻气流通过阀门9并在线10中作为轻产品排出。残余的净化轻气体膨胀至低压通过阀门13进入上部，床7的轻产品端。该低压气体流逆向通过床7，它在该处的作用是将循环流程较早阶段中预先吸附在其上的重组分排代出床。由床7排出的气流穿过其底端通过线8直接进入床7a的顶部，在该处它仍然起着躯赶来自床7a底部的重组分的作用。从床7a排出的气流通过阀门21，在压缩器22中被压缩并进入贮存容积23。一部分这种气体被抽取出来通过线16和阀门17以便作为重产品回收。贮存罐23的另一部分气体通过线14和阀门15到床4a的底端。然后，该气体流过床4a，在其中取代轻组分。床4a排出的气流，可设其组成与进料流近似，与通过线1和阀门3到线5以便通入床4下端的进料气合并。整个循环处理程序的这一步骤必须先终止，然后高选择吸附组分的吸附前沿破裂通过床4并通入从系统和/或其循环通过线12及阀门13至床7上端部分排出的轻产品。
PSA流程处理程序的下一步骤中，床4和4a由高吸附压力减压，而床7和7a由低解吸压力再加压至上述高吸附压。在理想的实施方案中，使用压力平衡步骤以便可获得理想的压力回收。为此目的，进入系统的进料和从系统中出来的产品流在床之间达到压力平衡的期间可以是悬浮的。因此，阀门3、9、11、15、19、20和21全部关闭，而阀门13却开启直至由于气体从初始处于高吸附压的床4顶部通向初始处于低解吸压的床7的顶部，而使压力平衡至某程度。然后关闭阀门13，并开启阀门20和19，以便床4和4a被来自床4a底部的气流进一步减压，而床7和7a被从贮存罐23至床7a底端的气流进一步加压至高吸附压力。进行这些步骤期间，当不要求气流来自压缩器2和22时，阀门24和25可打开，以便这些装置可以未负载形式继续运行。
下部分的处理程序中，来自压缩器2的进料气体通过线8和阀门6，并在高吸附压下向上流过床7。在床7中从高选择吸附重组分中分离出来的一些净化轻产品，通过阀门11并作为轻产品而被回收。剩余部分的净化轻产品膨胀通过阀门13并传到床4的上端，在其中，它向下流过床以取代以前被吸附的重组分。床4的排出气体向下通过线5并进入床4a的上端，在此处它携带添加量的以前被吸附的重组分向下流去。床4a的排出气流通过阀门20，在压缩器22中被压缩并传到贮存罐23。贮存罐23的一些气体被抽出通过线16和阀门17作为重产品，同时，该贮存罐23的另一些气体通过线11和阀门19，用作传至床7a底端的取代气体。床7a的排出气流在线8中与进料气流合并，并进入床7底部。先终止这种操作，然后床7a和7中的吸附波破裂进入该床上端的排出气流。
整个处理程序的最后部分中，按照其第二部分进行压力平衡，以便回收初始处于高吸附压下床中的压力，从而加压初始处于低解吸压下的床至较高的中等压力。压力平衡之后，并闭阀门13并开启阀门15和21，使床7和7a进一步减压，而床4和4a被再加压。按照如此完成的程序，用以上概述程序中被转移至床的新加量进料气体重复循环。
由此可看出，本发明实践可以使低选择吸附的轻组分被取代并在系统的一端被回收，而高选择吸附的重组分被取代并在系统的另一端被回收。双重变压吸附流程采用了至少有一个变压吸附级的系统，该变压吸附级包括可从含有高选择吸附重组分和低选择吸附轻组分的进料气体混合物中吸附高选择吸附重组分的吸附剂材料。在各种实施方案中，使用两级或多级是最佳的，这取决于有关给定应用的综合条件和要求。按照这种选择性吸附，所述高选择吸附重组分的吸附前沿往往会在吸附段中形成。每一级都有上述普通床部分和逆向床部分。每一级（以一个循环为基础）都要经受上述的处理程序，一般可归纳如下：
高选择吸附的重组分在高吸附压下被转移至级的逆向部分的底端，以取代其中的低选择吸附的轻组分。如此被取代的从逆向床部分的上端排除的气流在高吸附压下流进级的普通床部分的下端以便向前流去。低选择吸附的轻组分由级的普通床部分的上端排出。然后，各级由高吸附压减压至低解吸压。
然后，低选择吸附的轻组分在低解吸压下传到普通床部分的上端，以向后方向流过，由此从其中取代以前被吸附的重组分。如此被取代的从普通床部分的底端排出的气体在低解吸压下进入逆向床部分的上端，以便在所述低解吸压下从中取代另一些重组分。高选择吸附的重组分在所述低解吸压下从逆向床部分的底端排出。然后，将该级由低解吸压加压至高吸附压。
当然，待分离的进料气体混合物可在至少一个级中其普通床部分和逆向床部分之间的中间处引入，其中，（a）重组分转移至级的逆向床部分的底端，（b）级由高吸附压减压至低解吸压，（c）轻组分转移至级的普通床的上端，（d）级由低吸附压加压至高吸附压。按照完成的处理程序，用另外一些与其它级有期望关系的进料气体混合物重复各流程步骤，这些其它的级在整个系统中同样经受上述处理程序。
对于某些实施方案来说，最好是在高吸附压下所述高选择吸附重组分转移到级的逆向床部分的底端期间，将进料气体混合物引入级中。然而，在其它一些实施方案中，在低选择吸附轻组分在低解吸压下移至普通床部分的上端期间，或加压或减压步骤期间，或上述步骤结合期间添加进料气体混合物可能是最佳的，根据给定应用的要求决定。
当叙述本发明时，本文提及各个级的普通床部分和逆向床部分的下或底端以及上端，以上提及的上和下端应理解仅仅是为了方便，与图中表示的床部分的位置相一致。然而，在实际工业应用里其它理想的布置中，各个级，其分开部分以及各个级和部分的流向的配置都在本发明范围之内。
以上就双重变压吸附流程叙述本发明的同时，在变热流程实施方案中使用双吸附流程分离流体混合物也在本发明范围之内。在这种变热吸附（TSA）操作中，低吸附温度相应于高吸附压，而高吸附温度相应于低解吸压。清楚地知道，PSA流程操作包括对各个级和进料流的压缩和减压措施，而TSA流程操作包括相应的对各级和进料流的加热和冷却措施。关于这种加热操作，可采用直接加热和使用埋置在级中的管来加热。可采用热交换达到期望的冷却。采用压缩和排气方法可以很容易地获得PSA流程中所期望的吸附和解吸水平。
如图1和图2实施方案中的说明，每个PSA或TSA级都可以包括一个吸附剂材料的单床，或每一级都包括各级的普通床部分和逆向床部分的分独立的许多吸附剂床。一般最好是至少两个PSA或TSA级，但是具有特殊流程要求的特殊流体分离流程中，一级系统可能是理想的。
本发明实践中，从级的普通床部分的上端排放出来的一部分低选择吸附轻组分，通常作为期望的产品或副产品从系统中回收，或者作为流体分离操作的废物流排出系统。另一部分所述轻组分通常用于在置换阶段中转移到一个或多个级的上端，该阶段中这种轻组分在PSA流程的低解吸压下，或TSA流程的高解吸温度下转移至级的普通床部分的上端。同样，由级的逆向床部分的下端排出的部分高选择吸附重组分通常作为期望产品或副产品回收，或作为流体分离操作的废物流排出系统。另一部分所述重组分通常在置换阶段中被压缩或冷却并转移至一个或多个级的下端，该阶段中重组分在PSA流程的高吸附压下，或TSA流程的低吸附温度下转移至其逆向床部分的下端。当然，由一个级排出的部分所述轻和重组分可用作另外级的，或从其中排出流体的级的置换流体，这取决于本发明实践中采用的整个系统的有关情况。
具有两个以上PSA或TSA级的系统，流程的加压和/或减压，冷却和加热阶段希望流程步骤包括均衡步骤，其中，气体从初始处于高压或高温的级转移到初始处于低压或低温的级以便致力于上述指出的回收目的。
本发明的流程可用于完成各种工业规模的流体分离。本发明的PSA实施方案用于气体分离，如氩气-氧气分离及氩气净化操作，是很理想的。在典型的氩-氧分离应用中，约含96%氧和4%氩的气流可用于生产含氧为98%以上，如99.5%的高纯氧。还可获得富集氩的气流，如50%氩-50%氧的气流或高纯净氩气流，例如95%氩的气流。在这种操作中，氩气是低选择吸附的轻组分，而氧是高选择吸附的重组分。在氩气净化操作中，氩气作为轻组分从重的杂质中例如氧或氮，烃类、一氧化碳、二氧化碳和氨中分离出来。在其它的氩气净化操作中，重的氩产品从轻杂质中、如氢、氦或氖中分离出来。氦气或氢气净化是本发明的其它理想应用，其中，轻的氦或氢产品从重的杂质例如氮和甲烷中回收。在其它理想的PSA分离中，本发明可用于从天然气中分离甲烷;从甲烷和二氧化碳中分离出氮气;从一氧化碳中分离出氮;除去重杂质净化氙和氪;从重杂质中回收氮和甲烷等。
具体的工业界的TSA流程包括气体分离，例如从重的一氧化碳和/或二氧化碳中分离和回收轻的氮;和液体分离，例如从作为轻组分的乙醇中分离和回收作为重组分的水以及从正烃和异构烃的混合物中分离和回收正烃类。
熟知本技术领域的人都清楚地知道，本文详细说明的本发明中可以作各种改变和修正，但都不会超越如所附权利要求中所述的本发明的范围。例如，可以使用任何可以从进料气或其它含有高选择吸附重组分和低选择吸附轻组分的流体混合物中选择性吸附高选择性吸附重组分的吸附剂材料来完成本流程。可使用平衡类型的吸附材料，例如沸石分子筛如普通的13x和5A，按比例选择性吸附的材料，例如活性碳吸附剂和4A分子筛。还知道，被采用的级的数目可以变化，按照已知的PSA和TSA技术中的实践在程序中，具体地说在压力和温度变化阶段，可以作一些改变以便顺利地进行整个操作并从其中得到期望的产品流。
本发明之双重PSA流程特别适用于从有价值的、不易被吸附的轻组分中除去重的杂质。这种情况下，要求轻气体有高的回收率，因而不能用传统的PSA流程获得。其具体实例是从约含100ppm氮的不纯氩气流中除去氮。期望超大气压操作以保证周围空气不能泄露进入氩气。使用图1所示系统，在210kpa，且解吸压为105kpa时采用不纯的氩进料气流，因而在这种情况下提供的压力比为2∶1，不要求真空。环境温度为300°K时，在210kpa下氩中有100ppm氮且处于平衡状态的13x分子筛材料吸附床是处于105kpa下有172ppm所述氮的平衡状态。通过本发明的低压置换步骤除去高选择吸附氮，这要求至少58%的吸附床排除气流被用于低压置换步骤。在实际应用中，60%以上的置换流被用于这种情况以补偿流程中的任何非理想状态，以确保期望的纯度。如果仅仅以低如60%的置换流来使用普通流程，则氩气的回收率将限于约40%，这在工业实践中是不能接受的。该回收率只能通过提升高压或采取真空吸附手段，随着压力比的增加而增加。然后，这种传统方法的回收率仍然是差的，对这种氩气净化和回收操作来说是不能令人满意的。
本发明的双重流程中，普通床部分的排出气流通入逆向床部分。关于这种特殊应用，这部分是用极高的回流比，即向前流的高压置换流与向后流的低压流之比，进行操作。
由于床初始充填近乎纯净的氩气，贮存罐中氮的浓度缓慢增加，并意识到一个取决于所述图1实施方案中阀门17排出量的限制。如果仅1%的轻产品流排出阀门17，则贮存罐的组成最终接近在氩气中有1%氮。它相应于氩气的回收率约为99%。对于较高的排放率，则浓度低，且回收率低，反之，对于较低的排放率，氮的浓度较高，且氩的回收率较高。清楚地知道氩气回收率的经济限制将由有关任何给定应用的经济评价决定，但本发明双流程实践中可获得超过99%的回收率。将空气分离成氧（加氩）和氮是将进料气流分离成净化过的轻和重流的实例。在许多这种应用中，仅仅需要单一的产品，氧或氮，而其它组分被作为废物排出。在这些情况下，高产品回收率可能是不太重要的，因为环境空气是自然物，在这种情况下，不需要本发明的双重流程。如果两种产品都是有价值的则它希望废物为最少，而使用双重流程是有利的。
而且，当进料空气被压缩和预处理以致除去蒸汽或二氧化碳，例如，它不再是所谓天然物，则从经济观点来看，高回收率是重要的。本发明的双重吸附流程可以得到期望的回收率。
按照图2实施方案用于这种气体分离的本发明实践中，气体在床4和4a中在高压下向前流动，在床7和7a中在低压下向后流动。氮气被解吸并被排代出床7和7a，然后在床4a中高压下被再吸附。清楚地知道，在这种空气应用中，吸附前沿的移动是受控制的，以致重产品即氮气以含有极少轻组分即氧和氩的高纯形式获得。因此，可以容许逆向床中吸附前沿的极小破裂或不破裂通过。对于一级的每一部分，当气体向前流时高压阶段中该前沿作为吸附前沿向前移动。当气体向后流时低压阶段中该前沿作为吸附前沿向后移动。在普通床部分，理想的前沿移动应该是本应用的向前流阶段中的向前移动不比向后流阶段中的向后移动更远。这可以通过使用相对于净向后流的产品流来说是充足量的向后置换气体而得以保证。
在逆向床部分，理想的前沿移动应该是向后流阶段中的向后移动慢于向前流阶段中的向前移动。这不能简单地通过使用相对于净的向后流的产品流来说是充足量的向前置换的气体而得以保证，因为前沿速度与气体流速之比在高压下比在低压下要低。即使留在逆向床部分端头的气体全部用作向前位移的气体，一点也不剩下用于净后流产品，该前沿也会在恒压后流阶段中进一步移动。在有关上述空气分离应用的这种情况下为了避免破裂通过，实行变压步骤以使前沿移动向前时比向后时更远。而且在变压阶段中不必使用大量洁净的前流气体就能实现。因为任何这样的净流在恒压步骤中都需要平衡的净后流。它将趋于使条件变坏。
结果，所述气体分离应用中实施的本发明使用了加压阶段中的全面向前流和减压阶段中的全面向后流。在一个阶段里，整个级，普通床部分和逆向床部分两者，通过引入在逆向床部分底部的纯净、富含重组分的向前气流而被加压。在相应的减压阶段，纯净的富含重组分的向后气流由逆向床部分的下端通过。两阶段中的平均压力近乎相同，于是吸附前沿速度与局部气流速率的平均比率接近相等。逆向床部分下端的总气流量也近乎相等。然而，前沿的平均位置在加压阶段中比减压阶段中更接近级的逆向端，局部气流非常强，非常接近逆向端。这种局部气体流量的变化提供了在吸附前沿速度方面所需要的差异。结果是变压阶段中吸附前沿的向前净移动很大，足以抵消恒压阶段中的向后净移动。结果，总的净移动可忽略不计，随着循环操作继续而趋于零。
清楚地知道，对于空气分离应用来说，要求使用合适的变压步骤以平衡向前移动速度并防止不希望的轻组分破裂通过进入重的产品。通常采用在级的普通床部分使用相当量的气流，例如在上述氩气净化应用中。然而，在这种空气分离应用的这种操作中，级的逆向部分中前沿的移动不能通过使用任何数量的回流来平衡，然而，大量的和过份量的轻组分将泄露进入重产品。
用于空气分离的双重流程操作中，希望在床的重产品端进行压力平衡，例如开启线27中的阀门26，关闭其它阀门。该步骤继续直到床4a和7a的压力接近相等。床4和床7的压力可以被平衡，同时允许气流通过阀门13，但最好是安排这种应用的全部平衡流都通过阀门26。压力平衡后，阀门26和阀门13如果此时是开启着的，则关闭，而打开阀门20和19，因而允许压缩器22连续降低床部分4和4a中的压力，并增加床部分7和7a中的压力。
作为本发明的一般实践中和上述说明实施例中，循环过程的剩余步骤以类似于上述空气分离应用的方式进行，但带有阀门装置以有效地交换床4和7的位置以及床4a和7a的位置。
用于300°K下空气分离的双重流程操作中，具有105kpa的高压和70kpa的低压，使用13x分子筛吸附剂，床的总容积为360立方米即252，000kg，循环时间为60秒，可以近乎99.9+%的回收率获得氧和氩轻产品，氮的浓度约10ppm，并能以近乎99.9+%的回收率获得氮重产品，氧和氩的含量约5ppm。
可清楚地看出本发明的双重流程在吸附技术中提供了极为希望的进步。可以使流体进料混合物的低选择吸附轻组分和高选择吸附重线分两者都能以高纯度和高回收率获得，本发明可成为理想的吸附技术（变压吸附和变温吸附两者），有效地用于提供工业意义的实际工业应用中。
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Claims (27)

1、一种双重变压吸附流程，它用于在至少有一个变压吸附级的系统中分离进料气体混合物，该变压吸附级包括可以从含有高选择吸附组分和低选择吸附轻组分的所述进料气体混合物中吸收高选择吸附组分的吸附剂材料，由此在所述吸附剂级中形成所述高选择吸附重组分的吸附前沿，该吸附级具有普通床部分和逆向床部分，并以一个循环为基准，经受包括以下步骤的处理程序：
(a)在高吸附压下将所述高选择吸附的重组分传至所述级的逆向床部分底端以便置换其上的低选择吸附的轻组分，由此从所述逆向床部分的上端排出的被置换的气体在所述高吸附压下被传入所述级普通床部分的下端以便向前流过；
(b)从所述级普通床部分的上端排出低选择吸附的轻组分；
(c)将所述级从所述高吸附压减压至低解吸压；
(d)在所述低解吸压下将低选择吸附轻组分气体传至普通床部分的上端以便向后流过，因而从中置换以前被吸附的重组分，由此从普通床部分的底端排出的被置换的气流在所述低解吸压下被传入所述逆向床部分的上端以便在低解吸压下从其中置换另外一些重组分；
(e)在所述低解吸压下从所述逆向床的低端排出重组分；
(f)将所述级从所述低解吸压加压至高吸附压；
(g)在至少一个所述(a)、(c)、(d)和(f)，步骤中，从所述普通床部分和逆向床部分之间的中点处将所述进料气体混合物引入所述级；
(h)用另一些所述进料气体混合物重复基于一个循环的所述(a)-(g)步骤；
由此，低选择吸附的轻组分和高选择吸附的重组分两者均以高纯度和高回收率被回收。
2、根据权利要求1的流程，其中，所述（a）步骤中在所述中点处将进料气体混合物引入级中。
3、根据权利要求1的流程，其中，步骤（d）中在所述中点处将进料气体混合物引入级中。
4、根据权利要求1的流程，其中，每一级包括一个单吸附床。
5、根据权利要求1的流程，其中，每个级包括用于普通床部分和逆向床部分的独立的吸附床。
6、根据权利要求1的流程，其中，所述系统包括两个变压吸附级。
7、根据权利要求1的流程，其中，在步骤（b）中排出的部分低选择吸附的轻组分从系统中回收，而另一部分用于在步骤（d）中通往其中的一级或多级的上端，并且步骤（e）中排出的部分高选择吸附重组分从系统中回收，而另一部分用于在其步骤（a）中通往一级或多级的底端。
8、根据权利要求1的流程，其中，包括两个以上变压吸附级以及减降步骤（c）和加压步骤（f）的所述系统包括将气体从初始处于高压下的一级转换至初始处于低压下的另一级以平衡其间的压力。
9、根据权利要求1的流程，其中，所述进料气体混合物包括作为高选择吸附重组分的氧气和作为低选择吸附轻组分的氩气的混合物。
10、根据权利要求1的流程，其中，所述进料气体包括作为低选择吸附轻组分的氩气和作为高选择吸附重组分的杂质。
11、根据权利要求1的流程，其中，所述进料气体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氦气和作为高选择吸附重组分的氮气和甲烷。
12、根据权利要求1的流程，其中，所述进料气体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氢气和作为高选择吸附重组分的杂质。
13、根据权利要求1的流程，其中，所述进料气体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氙气和作为较易选择吸附重组分的杂质。
14、根据权利要求1的流程，其中，进料气体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氪气和作为较易选择吸附重组分的杂质。
15、一种双重变热吸附流程，它用于在至少有一个变热吸附级的系统中分离液体混合物，该变热吸附级包括可以从含有高选择吸附组分和低选择吸附轻组分的进料气体混合物中吸收高选择吸附组分的吸附剂材料，由此在所述吸附剂中形成所述高选择吸附重组分的吸附前沿，每一级具有一个普通床部分和逆向床部分，并以一个循环为基准，经受包括以下步骤的处理程序：
（a）在低吸附温度下将所述高选择吸附重组分传至所述级的逆向床的底端以便从中置换低选择吸附轻组分，从所述逆向床部分的上端排出如此被置换的气体在所述低吸附温度下被传入所述级的普通床部分的下端以便向前流过;
（b）从所述级的普通床部分的上端排出低选择吸附的轻组分;
（c）将所述级从低吸附温度加热至高解吸温度;
（d）在所述高解吸温度下将低选择吸附轻组分传至普通床的上端以便向后方向流过，因而从中置换以前被吸附的重组分，由此从普通床的底端排出的被置换流体在所述高解吸温度下被传入所述逆向床部分的上端以便在所述高解吸温度下从其中置换另一些重组分;
（e）在所述高解吸温度下从所述逆向床部分的底端排出重组分;
（f）将所述级从所述高解吸温度冷却至低吸附温度;
（g）在至少一个所述（b）、（c）、（d）和（f）步骤中，从所述普通床部分和逆向床部分之间的中点处将所述流体混合物引入所述级;
（h）用另一些所述流体混合物重复基于一个循环的所述（a）-（g）步骤;
由此，低选择吸附的轻组分和高选择吸附的重组分两者均以高纯度和高回收率被回收。
16、根据权利要求15的流程，其中，所述（a）步骤中在所述中点处将流体混合物引入级中。
17、根据权利要求15的流程，其中，步骤（d）中在所述中点处将流体混合物引入级中。
18、根据权利要求15的流程，其中，每一级包括一个单吸附床。
19、根据权利要求15的流程，其中，每个级包括普通床部分和逆向床部分的独立的吸附床。
20、根据权利要求15的流程，其中，所述系统包括两个变热吸附级。
21、根据权利要求15的流程，其中，在步骤（b）中排出的部分低选择吸附轻组分从系统中回收，而另一部分用于在步骤（d）中通向其中的一级或多级的上端，并且步骤（e）中排出的部分高选择吸附重组分从系统中回收，而另一部分用于其步骤（a）中通向一级或多级的底端。
22、根据权利要求15的流程，其中，包括两个以上变热吸附级以及加热步骤（c）和冷却步骤（f）的所述系统包括将流体从初始处于高温下的一级转换至初始处于低温下的另一级以平衡其间的压力。
23、根据权利要求15的流程，其中，所述流体混合物包括作为低选择吸附轻组分的水和作为高选择吸附重组分的杂质。
24、根据权利要求15的流程，其中，所述流体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氩气和作为高选择吸附组分的杂质。
25、根据权利要求15的流程，其中，所述流体混合物包括作为低选择吸附轻组分的氮气和作为高选择吸附重组分的氧化碳杂质。
26、根据权利要求15的流程，其中，所述流体混合物包括作为高选择吸附重组分的水和作为低选择吸附轻组分的乙醇。
27、根据权利要求15的流程，其中，所述流体混合物包括作为低选择吸附重组分的正烃类和作为高选择吸附轻组分的异构烃类。
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