CN107754555B - 一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法和装置，装置包括两个吸附塔、四条管线、多个自动阀门、仪表及控制部件；吸附塔内均装有对臭氧吸附量大且分离效率高的吸附剂；四条管线分别为A‑in原料气进气管路、A‑out吸附尾气管路、P‑in冲洗气进气管路、P‑out产品气管路；通过在两个吸附塔内重复进行变压吸附循环，使得从臭氧和氧气的混合气中将臭氧与氧气分离并将氧气回收循环；每个变压吸附循环周期均包括吸附过程、脱附过程和预吸附过程。本发明通过两塔连续变压吸附，从臭氧和氧气的混合气中将二者分离并将氧气回收循环，从而节省制氧费用，投资少、能耗低、分离效率高、臭氧产品气收率高、回收的氧气纯度高。

Description

一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法及装置

技术领域

本发明属于工业处理技术领域，涉及臭氧与氧气的分离技术，尤其涉及一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法及装置。

背景技术

臭氧(O₃)又称为超氧，是氧气(O₂)的同素异形体，在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。它是一种强氧化剂，具有脱色、氧化、杀菌和除臭的作用。目前已广泛应用在饮用水、污水、化工氧化、烟气净化、纸浆漂白、食品加工、医疗及家用等多个领域。国内臭氧应用的市值约为300～500亿/年。

现有的工业应用的臭氧通常是以氧气为原料，通过大型的臭氧发生器产生。大型的臭氧发生器运行时需要供给大量的氧气，由于目前臭氧发生器的转化效率一般在10％左右，也就是说输入到臭氧发生器内的纯净氧气中只有10wt％被转化成臭氧。因此，现有的臭氧发生器输出的产物是臭氧和氧气的混合气体，并且氧气含量居多，大约占混合气体体积的90％以上。由于臭氧气体不易存储，目前臭氧气体一般是在现场制造现场使用，使用时将臭氧发生器输出的臭氧和氧气的混合气体通入被处理流体中，臭氧和被处理流体接触反应吸收后剩余的氧气直接排放，造成了很大的资源浪费，还使臭氧的产生费用十分高昂。因此，现有臭氧发生方法和系统难以对臭氧发生器输出的氧气和臭氧混合气体进行分离，并对混合气体中的氧气进行回收，运行成本高。

吸附分离技术是分离气体的有效方法，如果采用合适的吸附剂，利用变压吸附(Pressure Swing Adsorption，以下简称PSA)工艺对臭氧和氧气进行吸附分离，并分别对臭氧和氧气进行回收利用，将大大减少氧气的浪费，减小产氧设备的规模。由于臭氧极不稳定，非常容易分解，因而对吸附剂和分离工艺的要求很高；现有技术的关键和难点是开发出对臭氧吸附能力强、解吸容易且分解率低的吸附剂，尤其是臭氧和氧气回收率高、工艺简单高效、投资与能耗低、且稳定性好维修率低的分离工艺。

目前采用的吸附循环，需要三个及以上的吸附塔才能保证臭氧和氧气的分离效率较高、臭氧产品气收率较高、回收的氧气产品气浓度较高且收率较高，能够连续稳定运行。但是，吸收塔的数目越多，工艺越复杂，投资与能耗都较高。因此，需要提供塔数少、设备简单、效率更高、投资能耗更低的吸附循环工艺。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法和装置，通过两塔连续变压吸附，从臭氧和氧气的混合气中将二者分离并将氧气回收循环，从而节省制氧费用，投资少、能耗低、分离效率高、臭氧产品气收率高、回收的氧气纯度高。

本发明提供的技术方案是：

一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法，通过在两个吸附塔(塔A和塔B)内重复进行变压吸附循环，从臭氧和氧气的混合气中将二者分离并将氧气回收循环；两个吸附塔中均装有能选择吸附臭氧的吸附剂；所述吸附剂对臭氧的吸附力比对氧气或对氮气的吸附力更大，包括但不限于丝光沸石、ZSM-5、HZSM-5等沸石类吸附剂，并通过在所述吸附剂上预吸附氩气、水或二氧化碳等组分来降低臭氧分解的程度；一个工作周期内，每个吸附塔均经历如下过程(以下描述以吸附塔A为例)：

吸附(Adsorption，用A表示)：从臭氧发生器产生的臭氧和氧气的混合气(臭氧含量在0～10wt％)通过原料气进气管路A-in管线进入吸附塔A，臭氧被吸附，富含氧气的吸附尾气进入吸附尾气管路A-out管线，经过处理后循环回用；

脱附(Desorption，用D表示)：冲洗气体(空气或者氮气)通过冲洗气进气管路P-in管线进入吸附塔A，将A塔在吸附过程中吸附的臭氧进行脱附并进入产品气管路P-out管线作为产品气输出到后续工序；

预吸附(Preadsorption，用P表示)：从臭氧发生器产生的臭氧和氧气的混合气(臭氧含量在0～10wt％)通过原料气进气管路A-in管线进入吸附塔A，臭氧被吸附，在脱附过程留下的吸附塔内死空间中的空气被混合气中的氧气吹出，同时为了避免空气进入吸附尾气管路A-out管线而影响产品氧气的纯度，预吸附过程的尾气(主要是被置换出的空气，以及混合气中臭氧被吸附余下的氧气)从塔顶进入此时正在处于脱附步骤的另一个吸附塔B；吸附塔A内的气体由空气被置换成了氧气。

吸附塔B同样顺次经过上述吸附、脱附和预吸附的过程。两塔互相配合，整个吸附循环分为四个步骤：步骤1，A塔处于吸附过程，B塔处于脱附过程；步骤2，A塔处于脱附过程，B塔处于预吸附过程；步骤3，A塔处于脱附过程，B塔处于吸附过程；步骤4，A塔处于预吸附过程，B塔处于脱附过程。

本发明还提供一种变压吸附分离臭氧与氧气的装置，主要包括两个吸附塔、四条管线、自动阀门、压力仪表、检测仪表及控制装置；其中：

1)两个同样的吸附塔，内装对臭氧吸附量大且分离效率高的吸附剂；

2)四条管线，分别为A-in原料气进气管路，A-out吸附尾气管路，P-in冲洗气进气管路，P-out产品气管路；

3)自动阀门、压力仪表、检测仪表及控制系统部件。

以两个吸附塔为中心，塔底连接A-in原料气进气管路末端和P-out产品气管路前端，塔顶连接A-out吸附尾气管路前端和P-in冲洗气进气管路末端。A-in原料气进气管路前端接臭氧发生器，A-out吸附尾气管路末端连接氧气循环回用，P-in冲洗气进气管路前端连接空气冲洗气，P-out产品气管路末端进入本装置外的后续臭氧应用工序如水处理、烟气净化、化工氧化等。

原料气进气管路A-in包括臭氧分析仪、压力表和两个电磁阀。原料气(原料气为从臭氧发生器出来的臭氧与氧气以及少量其它气体的混合物，其中臭氧的含量为0～10wt％，压力为1barg)经过臭氧分析仪、压力表、电磁阀，分别进入吸附塔T_A、吸附塔T_B。臭氧分析仪实时测量并记录原料气中的臭氧浓度；压力表测量并显示原料气进气压力；电磁阀根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；

吸附尾气管路A-out包括两个电磁阀、压力表、氧气分析仪、臭氧分析仪和调节阀；由吸附塔T_A、T_B塔顶出来的气体，经过电磁阀、压力表、氧气分析仪、臭氧分析仪和调节阀后进行循环回用；电磁阀根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；压力表测量并显示吸附尾气压力；氧气分析仪实时测量并记录吸附尾气中的氧气浓度；臭氧分析仪实时测量并记录吸附尾气中的臭氧浓度；调节阀可根据设定的开度进行调节，来控制A-out管路的流量和系统压力；

冲洗气进气管路P-in包括压力表和两个电磁阀；冲洗气经过压力表、电磁阀后分别进入吸附塔T_A、T_B；压力表测量并显示冲洗气进气压力；电磁阀根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向。

冲洗尾气管路P-out包括两个电磁阀、压力表、臭氧分析仪、调节阀；由吸附塔T_A、T_B塔底出来的气体，经过电磁阀、压力表、臭氧分析仪、调节阀后进入后序工序。电磁阀根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；压力表测量并显示冲洗尾气压力；臭氧分析仪实时测量并记录冲洗尾气中的臭氧浓度，调节阀可根据设定的开度进行调节，来控制P-out管路的流量和系统压力。

本装置具有自动控制功能，可以在设定好的时序、流量下自动运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供臭氧与氧气分离及回收的装置与方法，通过两塔连续变压吸附方法和装置，有效分离了臭氧和氧气，使得氧气得以回收利用，大大节省了制氧费用；此方法和装置投资少、能耗低、分离效率高、臭氧产品气收率高、回收的氧气纯度高。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的臭氧与氧气分离及回收循环集成装置/系统的组成及工艺流程图；

其中，T_A和T_B为两台吸附塔A塔和B塔；A-in、A-out、P-in、P-out为四条管路；AI1、AI2、AI3均为臭氧分析仪；AI4为氧气分析仪；PG1A、PG1B、PG2、PG3、PG4、PG5均为压力表；KV01A、KV01B、KV02A、KV02B、KV03A、KV03B、KV04A、KV04B均为电磁阀；PV1、PV2均为调节阀。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种两塔连续分离的装置和工艺，利用变压吸附在臭氧和氧气的混合气中将二者分离的方法，使得分离后的氧气回收循环，从而使制氧费用大大降低，分离后的臭氧进入后续工序正常使用。同时本发明还提供一种能够实现本分离方法的变压吸附气体分离装置。

在具体实施时，可通过如图1所示的两塔装置来实现臭氧和氧气的分离回收。如图1所示的两塔装置，主要由两台吸附塔(T_A和T_B)、四条管路(A-in、A-out、P-in、P-out)及其上的阀门和仪表组成，仪表与控制系统相连接。本装置具有自动控制功能，可以在设定好的时序、流量下自动运行。

A-in是原料气进气管路。原料气经过臭氧分析仪AI1、压力表PG2电磁阀KV01A/B分别进入吸附塔T_A/B。臭氧分析仪AI1实时测量并记录原料气中的臭氧浓度；压力表PG2测量并显示原料气进气压力；电磁阀KV01A/B根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向。

A-out是吸附尾气管路。由吸附塔T_A/B塔顶出来的气体，经过电磁阀KV02A/B、压力表PG3、氧气分析仪AI4、臭氧分析仪AI2和调节阀PV1后进行循环回用。电磁阀KV02A/B根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；压力表PG3测量并显示吸附尾气压力；氧气分析仪AI4实时测量并记录吸附尾气中的氧气浓度；臭氧分析仪AI2实时测量并记录吸附尾气中的臭氧浓度；调节阀PV1可根据设定的开度进行调节，来控制A-out管路的流量和系统压力。

P-in是冲洗气进气管路。冲洗气经过压力表PG4、电磁阀KV03A/B后分别进入吸附塔T_A/B。压力表PG4测量并显示冲洗气进气压力；电磁阀KV03A/B根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向。

P-out是冲洗尾气管路。由吸附塔T_A/B塔底出来的气体，经过电磁阀KV04A/B、压力表PG5、臭氧分析仪AI3、调节阀PV2后进入后序工序。电磁阀KV04A/B根据时序步骤进行开关、控制系统气体流向；压力表PG5测量并显示冲洗尾气压力；臭氧分析仪AI3实时测量并记录冲洗尾气中的臭氧浓度，调节阀PV2可根据设定的开度进行调节，来控制P-out管路的流量和系统压力。

两台吸附塔T_A和T_B上分别安装压力表PG1A和PG1B，用于观察塔内压力，以辅助背压阀调节压力。

上述两塔装置在工作时，两个吸附塔中均装有能选择吸附O₃的吸附剂。两塔装置按照表1所示的PSA分离循环系统的时序表自动运行，可以将A-in进口的原料气中的臭氧和氧气进行有效分离，得到合格的臭氧和氧气产品。原料气为从臭氧发生器出来的臭氧与氧气以及少量其它气体的混合物，其中臭氧的含量为0～10wt％，压力为1barg。原料气经过吸附塔底部入口阀KV01A/B进入吸附塔，吸附尾气即富含氧气的产品气从塔顶排出。经过一定的循环步骤后，吸附塔内的臭氧通过空气冲洗的方式排出吸附塔，作为臭氧产品气通过P-out管线进入后续工序。

两个吸附塔按照表1所示的PSA分离循环时序表交替工作从而达到分离臭氧和氧气的目的。每个周期中各吸附塔分别要经历吸附、脱附、预吸附的工艺过程。在表1的PSA分离循环时序表中，T_A、T_B分别对应A塔和B塔；T1、T2、T3、T4分别对应步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的运行时间，且T1＝T3、T2＝T4；A表示吸附、D表示脱附、P表示预吸附；●表示在对应的步骤时，阀门为开。

表1图1所示PSA分离循环系统的时序表及对应的阀门开关表

下面以其中一个吸附塔A为例，对PSA分离循环各步骤进行简要描述：

吸附：打开吸附塔的原料气入口阀KV01A和吸附尾气出口阀KV02A，原料气从塔底进入吸附塔，在预定的吸附压力下，原料气中的臭氧被专用吸附剂吸附，而氧气与其它微量气体等未被吸附的组份作为吸附尾气(即氧气产品气)从塔顶排出，送至循环回用。当吸附剂床层中臭氧的传质区前沿到达塔顶的预定位置后，关闭吸附塔的原料气入口阀KV01A和吸附尾气出口阀KV02A，吸附步骤结束，并开始转入再生过程。

脱附：为使吸附剂得到再生，打开空气冲洗入口阀KV03A和冲洗尾气出口阀KV04A，用空气逆着吸附方向对吸附塔进行冲洗，使被吸附的臭氧得到解吸，解吸下来的臭氧产品气进入后续工段。

预吸附：经过脱附步骤后，塔内气体为空气，为了保证在下一步吸附步骤时产品氧气的纯度，特设置了预吸附步骤。在此步骤时，打开原料气入口阀KV01A和空气冲洗入口阀KV03A，使得原料气从塔底进入吸附塔后，原料气中的臭氧被专用吸附剂吸附，而塔中原来的空气从塔顶排出，与一部分氧气从KV03A和KV03B进入另一个正处于脱附步骤的吸附塔。由此，塔内气体由空气被置换成了氧气。

至此，此吸附塔完成了一个完整的吸附－再生循环过程，并为下一循环过程做好了准备。每个吸附塔交替进行以上各步骤，从而得到满足规格的臭氧产品气和氧气产品气。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种变压吸附分离臭氧与氧气的方法，通过在吸附塔A和吸附塔B内重复进行变压吸附循环，使得从臭氧和氧气的混合气中将臭氧与氧气分离并将氧气回收循环；吸附塔A和吸附塔B中均装有能选择吸附臭氧的吸附剂；每个变压吸附循环周期均包括吸附过程、脱附过程和预吸附过程，分为四个步骤：

步骤1：A塔处于吸附过程，B塔处于脱附过程；

步骤2：A塔处于脱附过程，B塔处于预吸附过程；

步骤3：A塔处于脱附过程，B塔处于吸附过程；

步骤4：A塔处于预吸附过程，B塔处于脱附过程；

所述吸附过程为：从臭氧发生器产生的臭氧和氧气的混合气通过原料气进气管路A-in管线进入吸附塔，臭氧被吸附，富含氧气的吸附尾气进入吸附尾气管路A-out管线，经过处理后循环回用；

所述脱附过程为：冲洗气体通过冲洗气进气管路P-in管线进入吸附塔，将该吸附塔在吸附过程中吸附的臭氧进行脱附，并进入产品气管路P-out管线，作为产品气输出到后续工序；

所述预吸附过程为：从臭氧发生器产生的臭氧和氧气的混合气通过原料气进气管路A-in管线进入吸附塔，臭氧被吸附，同时置换掉脱附过程导致的吸附塔内死空间中的空气；该吸附塔内的气体由空气被置换成了氧气；预吸附过程的尾气从该吸附塔的塔顶进入此时正在处于脱附过程的另一个吸附塔；

每个吸附塔交替进行以上各步骤，从而得到臭氧产品气和氧气产品气。

2.如权利要求1所述变压吸附分离臭氧与氧气的方法，其特征是，所述臭氧发生器产生的臭氧和氧气的混合气的压力为1barg，臭氧含量为0～10wt％。

3.如权利要求1所述变压吸附分离臭氧与氧气的方法，其特征是，所述冲洗气体为空气或氮气。

4.一种变压吸附分离臭氧与氧气的装置，包括两个吸附塔、四条管线、多个自动阀门、压力仪表、检测仪表及控制系统部件；其中：两个吸附塔内均装有对臭氧吸附量大且分离效率高的吸附剂；四条管线分别为A-in原料气进气管路、A-out吸附尾气管路、P-in冲洗气进气管路、P-out产品气管路；所述原料气进气管路A-in包括臭氧分析仪、压力表和电磁阀；所述吸附尾气管路A-out包括电磁阀、压力表、氧气分析仪、臭氧分析仪和调节阀；所述冲洗气进气管路P-in包括压力表和电磁阀；所述P-out产品气管路包括电磁阀、压力表、臭氧分析仪、调节阀；两个吸附塔的塔底连接A-in原料气进气管路的末端和P-out产品气管路的前端，两个吸附塔的塔顶连接A-out吸附尾气管路的前端和P-in冲洗气进气管路的末端；A-in原料气进气管路的前端连接臭氧发生器；A-out吸附尾气管路的末端连接氧气循环回用装置；P-in冲洗气进气管路的前端连接冲洗气；P-out产品气管路的末端连接入本装置的后续工序装置。

5.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述原料气进气管路A-in包括臭氧分析仪、压力表和两个电磁阀；原料气经过臭氧分析仪、压力表、电磁阀，进入吸附塔；臭氧分析仪用于实时测量并记录原料气中的臭氧浓度；压力表用于测量并显示进气压力；电磁阀用于根据时序进行开关以达到控制系统气体流向的目的。

6.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述吸附尾气管路A-out包括两个电磁阀、压力表、氧气分析仪、臭氧分析仪和调节阀；由吸附塔的塔顶出来的气体，经过电磁阀、压力表、氧气分析仪、臭氧分析仪和调节阀后进行循环回用；电磁阀用于根据时序进行开关，以达到控制系统气体流向的目的；压力表用于测量并显示吸附尾气压力；氧气分析仪用于实时测量并记录吸附尾气中的氧气浓度；臭氧分析仪实时测量并记录吸附尾气中的臭氧浓度；调节阀用于根据设定的开度进行调节，以控制A-out管路的流量和系统压力。

7.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述冲洗气进气管路P-in包括压力表和两个电磁阀；冲洗气经过压力表、电磁阀后分别进入两个吸附塔；压力表测量并显示冲洗气进气压力；电磁阀根据时序步骤进行开关以控制系统气体流向。

8.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述P-out产品气管路包括两个电磁阀、压力表、臭氧分析仪、调节阀；由吸附塔的塔底出来的气体，经过电磁阀、压力表、臭氧分析仪、调节阀后进入后序工序装置；电磁阀用于根据时序进行开关以控制系统气体流向；压力表用于测量并显示冲洗尾气压力；臭氧分析仪用于实时测量并记录冲洗尾气中的臭氧浓度，调节阀用于根据设定的开度进行调节以控制P-out管路的流量和系统压力。

9.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述装置按照设定好的时序、流量自动控制和运行。

10.如权利要求4所述变压吸附分离臭氧与氧气的装置，其特征是，所述对臭氧吸附量大且分离效率高的吸附剂为对臭氧的吸附力比对氧气或对氮气的吸附力更大的吸附剂，包括丝光沸石、ZSM-5、HZSM-5沸石类吸附剂；且进一步通过预吸附氩气、水或二氧化碳组分以降低臭氧分解的程度。

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