CN107485967A - 一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统及其操作方法，即完成吸附的吸附塔与完成解吸的吸附塔经过出气端均压，第一次保压，第一次产品氧气充压，第一次出气端和进气端交错均压，第二次保压，第二次产品氧气充压，第二次出气端和进气端交错均压的多次交替均压和充压过程，产品氧气充压使靠近出气端的氮气浓度退回至靠近进气端位置，防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次均压过程，充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，可以显著提高氧气回收率。同时，采用了较低吸附压力的变压吸附流程，提高制氧系统的稳定性及明显降低制氧能耗。

Description

一种多次交替均压和充压的低压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，具体涉及一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统。

背景技术

变压吸附（pressure swing adsorption, PSA）是一种重要的分离技术，已在气体分离、提纯等领域获得广泛应用，尤其在中小规模的空气分离制氧氮方面。基于PSA原理的制氧机由于产氧浓度高、自动化程度高等优点在家庭保健、医院氧疗以及高原富氧等领域获得了较多的应用。而在这些应用领域变压吸附制氧规模较小，随着制氧规模的缩小，单位制氧能耗也随之增大，运行费用增加。特别是在高原低气压的环境中，由于机械设备效率下降，制氧能耗很高，严重地阻碍了PSA制氧技术的广泛应用。

新型制氧吸附剂开发及工艺流程优化是提高PSA制氧装置性能的主要途径。在新型制氧吸附剂开发较为困难的情况下，工艺流程优化则显得尤为重要。均压步骤是PSA制氧过程中重要的循环步骤，通过均压回收吸附床内有用的机械能和组分，有利于获得较好的制氧性能。国内专利CN103058144.A提出了利用两个均压罐回收完成吸附的塔内的气体，依次的被用于冲洗和充压，提高了氧气回收率，但该冲洗气的氧浓度较低，难以获得高浓度的产品氧气。国内专利CN104340961.A提出了充分回收尾气的七阀两步不等势均压流程，但为了防止吸附塔提前穿透而获得高浓度氧气，均压完成后两个吸附塔内压力并不相等，回收的有用组分较少，制氧能耗仍然较高。美国专利US 8128734提出了完成解吸塔的吸附塔先逆向均压再产品氧气充压的方法来提高制氧性能，但其均压次数少，回收率提高的有限。国内专利CN101531342.A提出了五塔变压吸附制氧的方法，通过吸附塔间多次均压充分回收吸附床内机械能和有用组分，但其流程复杂。美国专利US6454838提出了具有四次出气端均压的六塔变压吸附制氧的方法，有效地提高了氧气回收率，然而流程复杂，且需要阀门等部件很多。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足提供一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统，并提供该系统的操作方法。

现有典型的变压吸附制氧系统，如图1所示，空压机排气压力较高，约为0.4~0.8Mpa，吸附塔内装填预处理的吸附剂和制氧吸附剂，完成吸附的吸附塔与完成解吸的吸附塔经过出气端均压和出气端与进气端的交错均压两个均压过程，且为了防止吸附塔提前穿透出气端与进气端的交错均压的时间很短，回收的有用组分很有限，制氧能耗较高。

本发明提出一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统，如图2所示，是对现有PSA制氧系统的改进，即完成吸附的吸附塔与完成解吸的吸附塔经过出气端均压，第一次保压，第一次产品氧气充压，第一次出气端和进气端交错均压，第二次保压，第二次产品氧气充压，第二次出气端和进气端交错均压的多次交替均压和充压过程，产品氧气充压使靠近出气端的氮气浓度退回至靠近进气端位置，防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次均压过程，充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，可以显著提高氧气回收率。同时，采用了较低吸附压力的PSA流程，制氧能耗明显降低。

一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统包括低压空气压缩机(1)、冷干机（2）、空气缓冲罐P1、进气管路（3）、装填多层吸附剂的第一吸附塔A和第二吸附塔B、出气端均压管路（13）、出气端和进气端交错均压管路（10）、反吹控制阀(15)、出氧管路（18）、氧气缓冲罐P2、产品氧气充压管路（19）。所用低压空气压缩机(1)排气压力很低，约为0.2~0.35 MPa。装填多层吸附剂的第一吸附塔A和第二吸附塔B高径比较小，约为0.5~2.5，装填了至少4层具有不同颗粒直径的吸附剂，第一层为颗粒直径较大（颗粒直径为1~3 mm）的预处理吸附剂层，第二层为颗粒直径较大（颗粒直径为1.5~4 mm）用于保护的的制氧吸附剂层，其装填高度至少为50 mm，第三层为颗粒直径很小（颗粒直径为0.3~1 mm）的主制氧吸附剂层，第三层为颗粒直径较大（颗粒直径为1.5~2 mm）用于辅助保护的的制氧吸附剂层，其装填高度至少为30 mm。第一层预处理吸附剂层装填能吸附水分、二氧化碳等杂质的三氧化二铝等吸附剂。第二保护层和第四辅助吸附剂层为制氧性能一般的吸附剂，而第三层主制氧吸附剂为锂型或者其他稀土等离子交换得到高性能的制氧吸附剂，且其吸附速率和产氧率很高，产氧率≥100NL/(h.kg)。

第一层预处理吸附剂层与第二保护层间，第二保护层与第三主制氧吸附剂层间以及第三主制氧吸附剂层间与第四辅助吸附剂层间通过分流板隔开，且各层间存在一定的间隙，该间隙是优选而非必要的。

出气端均压管路（13）通过第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的出气端接通；出气端和进气端交错均压管路（10）通过第一出气端均压阀（11）和第二交错均压阀（9）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，通过第二出气端均压阀（12）和第一交错均压阀（8）将第二吸附塔B的出气端与第一吸附塔A的进气端接通；产品氧气充压管路（19）通过产品氧气充压阀（14）和第一出气端均压阀（11）将氧气缓冲罐P2与第一吸附塔A的出气端接通，通过产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）将氧气缓冲罐P2与第二吸附塔B的出气端接通。

装填多层吸附剂的第一吸附塔A完成吸附后，打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）通过出气端均压管路（13）与第二吸附塔B进行出气端均压，之后关闭第一出气端均压阀（11），第一吸附塔A进行第一次保压，同时打开产品氧气充压阀（14），通过产品氧气充压管路（19）向第二吸附塔B进行第一次产品氧气充压，之后关闭产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9）通过出气端和进气端交错均压管路（10）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第一次交错均压，之后关闭第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9），第一吸附塔A进行第二次保压，同时打开产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），通过产品氧气充压管路（19）向第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压。而后关闭产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），再次打开第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9）通过出气端和进气端交错均压管路（10）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第二次交错均压。完成第二次交错均压后第一吸附塔A通过打开第一解吸阀（6）进行逆向降压解吸，同时打开第二进气阀（5）通过进气管路（3）使第二吸附塔B进行吸附过程，至此完成一个循环过程。各自动切换阀门按照下表的要求进行切换，第一吸附塔A和第二吸附塔B异相顺序运行，其具体运行过程如下：

步骤	第一吸附塔A运行步骤与阀门开闭方法	第二吸附塔B运行步骤与阀门开闭方法	吸附塔运行状态
				1	打开第一进气阀（4）和第一出氧控制阀（16）	打开第二解吸阀（7）	第一吸附塔A进气吸附，第二吸附塔B降压解吸
2	关闭第一进气阀（4）和第一出氧控制阀（16），打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）	关闭第二解吸阀（7）	第一吸附塔A与第二吸附塔B进行出气端均压
				3	关闭第一出气端均压阀（11）	打开产品气充压阀（14）	第一吸附塔A进行第一次保压，第二吸附塔B进行第一次产品氧气充压
4	打开第一出气端均压阀（11）	关闭产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第二交错均压阀（9）	第一吸附塔A与第二吸附塔B进行第一次出气端与进气端交错均压
				5	关闭第一出气端均压阀（11）	关闭第二交错均压阀（9），打开产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）	第一吸附塔A进行第二次保压，第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压
6	打开第一出气端均压阀（11）	关闭产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第二交错均压阀（9）	第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第二次出气端与进气端交错均压
				7	关闭第一出气端均压阀（11），打开第一解（6）	关闭第二交错均压阀（9），打开第二进气阀（5）和和第二出氧控制阀（17）	第一吸附塔A进行降压解吸，第二吸附塔B进气吸附

上述运行步骤中反吹控制阀（15）为常开状态，作为优选也可以在吸附阶段的后期打开，其他的除指定的开启阀门之外的阀门均为关闭状态。

第一次的保压时间大于等于第一次产品气充压时间，第二次的保压时间大于等于第二次产品气充压，而第二次的保压时间大于第一次的保压时间，第一次的保压时间约0~1s，第二次的保压时间约0.5~2 s。

本发明中部分名词释义如下：

所说的产品气，也可称之为产品氧气，是指较难被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氧气是较为难吸附的气体；

所说的富氮废气是指较容易被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氮气是较容易吸附的气体；

所说的吸附塔也可称之为吸附器，吸附床，是指至少装填了上述多层吸附剂的容器；

所说的压力除特别说明外，其他的均指相对压力（表压）；

所说的保压是指将吸附塔的进气阀和出气阀均关闭，使吸附塔内压力保持不变的过程；

所说的均压是指将两个吸附塔的出气端或者吸附塔的出气端与另一吸附塔的进气端接通，使两个吸附塔内压力均衡的过程；

所说的产品氧气充压是指将吸附塔的出气端与产品气缓冲罐接通，将部分产品氧气充入吸附塔内，使吸附塔内压力升高的过程；

所说的变压吸附（PSA）所指的不仅是PSA方法，还包括与之相类似的周期性压力变化而吸附分离方法，其中周期性变化过程中较高压力可以大于或等于大气压力，较低的压力可以小于或等于大气压力，如真空变压吸附等方法。

本发明同现有技术相比具有的有益效果是：1）操作压力较低，有效减弱高吸附压力对吸附剂的冲击，提高制氧系统的稳定性；2)经过多次交替均压和充压，不仅可以防止吸附剂层被提早穿透，而且充分回收吸附塔内有用组分，提高氧气回收率，降低能耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有典型的两塔变压吸附制氧系统。

图2是本发明的一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统。

图2中：1.低压空气压缩机；2.冷干机；P1.空气缓冲罐；3.进气管路；A.装填多层吸附剂的第一吸附塔；B.装填多层吸附剂的第二吸附塔；4.第一进气阀；5.第二进气阀；6.第一解吸阀；7.第二解吸阀；8.第一交错均压阀；9.第二交错均压阀；10.出气端和进气端交错均压管路；11.第一出气端均压阀；12.第二出气端均压阀；13.出气端均压管路；14.产品气充压阀；15.反吹控制阀；16.第一出氧控制阀；17.第二出氧控制阀；18.出氧管路；P2.氧气缓冲罐；19.产品氧气充压管路。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，但所应理解的是，以下所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普遍技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。

本示例采用2个吸附塔多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧工艺，低压空气压缩机的排气压力为0.3 MPa，吸附压力为0.25 MPa。

以吸附塔A为例，原料空气进入吸附塔A后，吸附塔A进入吸附步骤，在吸附塔的出气端得到约为93%的产品氧气，少部分产品氧气通过反吹控制阀15被用于吸附塔B的反吹清洗，大部分产品氧气通过出氧管路18输出到氧气缓冲罐P2。

吸附步骤完成后，打开第一出气端均压阀11和第二出气端均压阀12，接通吸附塔A和吸附塔B的出气端进行出气端均压，完成出气端均压后吸附塔A进行第一次保压，接通氧气缓冲罐和吸附塔B的出气端进行第一次产品氧气充压，之后再接通吸附塔A的出气端和吸附塔B的进气端进行第一次交错均压。之后吸附塔A进行第二次保压，接通氧气缓冲罐和吸附塔B的出气端进行第二次产品氧气充压。而后再次接通吸附塔A的出气端和吸附塔B的进气端进行第二次交错均压。经过多次交替均压和充压后吸附塔A内的压力从0.25 MPa下降至约为0.17 MPa，吸附塔B内的压力从0 MPa上升至约为0.1 MPa，充分回收了吸附塔内的有用组分。

完成多次交替均压和充压后，吸附塔A进行降压解吸，吸附塔B则进行进气吸附，吸附塔B出气端产生的部分产品氧气被用于吸附塔A反吹清洗，至此吸附塔A经历了一个循环。经过该循环过程后，产品氧气的回收率至少为50%，比现有的典型的变压吸附制氧系统回收率提高10%以上，制氧能耗降低至少20%。

Claims (5)

1.一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统，主要包括低压空气压缩机(1)、冷干机（2）、空气缓冲罐P1、进气管路（3）、装填多层吸附剂的第一吸附塔A和第二吸附塔B、出气端均压管路（13）、出气端和进气端交错均压管路（10）、反吹控制阀(15)、出氧管路（18）、氧气缓冲罐P2、产品氧气充压管路（19），其特征在于：所述低压空气压缩机(1)排气压力很低，约为0.2~0.35 MPa。

2.所述装填多层吸附剂的第一吸附塔A和吸附塔B高径比较小，约为0.5~2.5，装填了至少4层具有不同颗粒直径的吸附剂，第一层为颗粒直径较大（颗粒直径为1~3 mm）的预处理吸附剂层，第二层为颗粒直径较大（颗粒直径为1.5~4 mm）用于保护的的制氧吸附剂层，其装填高度至少为50 mm，第三层为颗粒直径很小（颗粒直径为0.3~1 mm）的主制氧吸附剂层，第三层为颗粒直径较大（颗粒直径为1.5~2 mm）用于辅助保护的的制氧吸附剂层，其装填高度至少为30 mm;第一层预处理吸附剂层装填能吸附水分、二氧化碳等杂质的三氧化二铝等吸附剂;第二保护层和第四辅助吸附剂层为制氧性能一般的吸附剂，而第三层主制氧吸附剂为锂型或者其他稀土等离子交换得到高性能的吸附剂，且其吸附速率和产氧率很高，产氧率≥100NL/(h.kg)。

3.所述的第一层预处理吸附剂层与第二保护层间，第二保护层与第三主制氧吸附剂层间以及第三主制氧吸附剂层间与第四辅助吸附剂层间通过分流板隔开，且各层间存在一定的间隙。

4.所述出气端均压管路（13）通过第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的出气端接通；出气端和进气端交错均压管路（10）通过第一出气端均压阀（11）和第二交错均压阀（9）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，通过第二出气端均压阀（12）和第一交错均压阀（8）将第二吸附塔B的出气端与第一吸附塔A的进气端接通；产品氧气充压管路（19）通过产品氧气充压阀（14）和第一出气端均压阀（11）将氧气缓冲罐P2与第一吸附塔A的出气端接通，通过产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）将氧气缓冲罐P2与第二吸附塔B的出气端接通。

5.一种多次交替均压和充压的低压变压吸附制氧系统的操作方法，其特征在于：所述的装填多层吸附剂的第一吸附塔A完成吸附后，打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）通过出气端均压管路（13）与第二吸附塔B进行出气端均压，之后关闭第一出气端均压阀（11），第一吸附塔A进行第一次保压，同时打开产品氧气充压阀（14），通过产品氧气充压管路（19）向第二吸附塔B进行第一次产品氧气充压，之后关闭产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9）通过出气端和进气端交错均压管路（10）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第一次交错均压，之后关闭第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9），第一吸附塔A进行第二次保压，同时打开产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），通过产品氧气充压管路（19）向第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压;而后关闭产品氧气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），再次打开第一出气端均压阀（11）和第二交错均压均压阀（9）通过出气端和进气端交错均压管路（10）将第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第二次交错均压;完成第二次交错均压后第一吸附塔A通过打开第一解吸阀（6）进行逆向降压解吸，同时打开第二进气阀（5）通过进气管路（3）第二吸附塔B进行吸附过程，至此完成一个循环过程;各自动切换阀门按照下表的要求进行切换，第一吸附塔A和第二吸附塔B异相顺序运行，其运行步骤如下表所示：

步骤 第一吸附塔A运行步骤与阀门开闭方法 第二吸附塔B运行步骤与阀门开闭方法 吸附塔运行状态 1 打开第一进气阀（4）和第一出氧控制阀（16） 打开第二解吸阀（7） 第一吸附塔A进气吸附，第二吸附塔B降压解吸 2 关闭第一进气阀（4）和第一出氧控制阀（16），打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12） 关闭第二解吸阀（7） 第一吸附塔A与第二吸附塔B进行出气端均压 3 关闭第一出气端均压阀（11） 打开产品气充压阀（14） 第一吸附塔A进行第一次保压，第二吸附塔B进行第一次产品氧气充压 4 打开第一出气端均压阀（11） 关闭产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第二交错均压阀（9） 第一吸附塔A与第二吸附塔B进行第一次出气端与进气端交错均压 5 关闭第一出气端均压阀（11） 关闭第二交错均压阀（9），打开产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12） 第一吸附塔A进行第二次保压，第二吸附塔B进行第二次产品氧气充压 6 打开第一出气端均压阀（11） 关闭产品气充压阀（14）和第二出气端均压阀（12），打开第二交错均压阀（9） 第一吸附塔A的出气端与第二吸附塔B的进气端接通，进行第二次出气端与进气端交错均压 7 关闭第一出气端均压阀（11），打开第一解吸阀（6） 关闭第二交错均压阀（9），打开第二进气阀（5）和和第二出氧控制阀（17） 第一吸附塔A进行降压解吸，第二吸附塔B进气吸附

所述的第一次的保压时间大于等于第一次产品气充压时间，第二次的保压时间大于等于第二次产品气充压，而第二次的保压时间大于第一次的保压时间，第一次的保压时间约0~1 s，第二次的保压时间约0.5~2 s。