CN108619859B - 一种耦合式变压吸附制气系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合式变压吸附制气系统，包括空气缓冲罐、空气压缩机、吸附塔A、吸附塔B和产气罐，空气缓冲罐通过管道与空气压缩机相连，空气缓冲罐的出口与吸附塔A连通，空气缓冲罐的出口与吸附塔B的入口连通；吸附塔A的出口与产气罐连通，吸附塔B的出口与产气罐的顶部连通；吸附塔A、吸附塔B、空气缓冲罐和产气罐均分别内置有分子筛。本发明还提供了一种耦合式变压吸附制氧方法。本发明的有益效果为：利用空气缓冲罐、吸附塔、产气罐之间的压力互动，使装填有分子筛的空气缓冲罐和产气罐也产生变压吸附效果，与吸附塔变压吸附进行耦合，达到降低产气露点的目的。

Description

一种耦合式变压吸附制气系统及方法

技术领域

本发明涉及常温空分领域，具体涉及一种耦合式变压吸附制气系统及方法。

背景技术

变压吸附(简称PSA)技术是近几十年来新崛起的气体分离技术，其利用吸附剂对气体组分具有选择吸附性，以及吸附容量随压力变化的特性，通过周期性的压力变化实现气体分离。变压吸附技术由Skarstrome等人于1960年发明，最初在工业上主要用于空气干燥和氢气纯化，1970年后开发用于空气制氧或制氮，1976年后逐渐开发成功用碳分子筛、沸石分子筛的变压吸附法，从空气中制氧气或氮气，1980年实现了用单床PSA法吸附制取医用氧。

在现行的变压吸附制氧、制氮方法中，没有发现对现有变压吸附效果进行相互耦合的提法。常规变压吸附所制取的氧气、氮气其露点通常在－40℃左右，用户通常需要低露点如－65℃以下的产品气，则需要进一步吸附干燥。变压吸附制氧、制氮与吸附干燥除水均是变压吸附设计，但两种工艺实质上只是相互串联，并没有进行耦合，两者的工作，实质上是各自独立的。在产品氧气、氮气不进一步增压时，用于吸附干燥的13X分子筛、活性氧化铝等干燥剂由于其能达到的最低露点为－70℃左右，在－65℃～－70℃这个区间进行干燥时，其允许吸水量很小，因此必须增加吸附干燥塔的装筛量或减小吸附干燥塔的吸附时间，但无论增加装筛量或是减小吸附时间，相应的用于吸附干燥塔再生的氧气、氮气损耗都会大大增加。而对氧气、氮气先进行增压，然后再进行吸附干燥，虽可显著增加干燥塔的允许吸水量，减少干燥塔装筛量或延长吸附时间，使露点更为稳定，但在增加压缩能耗的同时其氧气、氮气用于再生的损耗仍然不小。考虑到干燥剂在其能达到的极限露点附近工作，必须对其露点进行实时监测，以防止干燥剂性能下降导致的露点超标。

综上，在满足产品气低露点品质要求时，这种串联的变压吸附制氧、制氮，占用的资源大、用于吸附干燥塔再生需要损耗产品气、增加压缩能，经济性较低。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种产气露点低的耦合式变压吸附制气系统及方法。

本发明采用的技术方案为：一种耦合式变压吸附制气系统，主要包括空气缓冲罐、空气压缩机、吸附塔A、吸附塔B和产气罐，所述空气缓冲罐的出口通过管道与空气压缩机相连，空气缓冲罐的出口与进气阀A与吸附塔A连通，空气缓冲罐的出口经进气阀B与吸附塔B的入口连通；所述吸附塔A的入口通过管道与排废阀A相连，吸附塔B的入口通过管道与排废阀B相连；所述吸附塔A的出口经产气阀A与产气罐连通，吸附塔B的出口经产气阀B与产气罐的顶部连通；吸附塔A的出口经吹扫充压阀A与产气罐的顶部连通，吸附塔B的出口经吹扫充压阀B与产气罐的顶部连通；吸附塔A的出口经均压阀A与吸附塔B的入口连通，吸附塔B的出口经均压阀B与吸附塔A的入口连通；所述吸附塔A、吸附塔B、空气缓冲罐和产气罐均分别内置有分子筛。

按上述方案，所述空气缓冲罐内置有5A沸石分子筛。

按上述方案，所述产气罐内置有5A沸石分子筛。

按上述方案，所述吸附塔A和吸附塔B分别内置有G502沸石分子筛。

按上述方案，所述空气缓冲罐内设有分子筛床层，分子筛铺于分子筛床层上；所述空气缓冲罐的进气和出气为相对空气缓冲罐内分子筛床层同向。

按上述方案，所述产气罐的底部通过管道依次与第二减压阀和节流阀连通。

按上述方案，所述空气缓冲罐的出口与第一减压阀的入口连通，第一减压阀的出口经进气阀A与吸附塔A连通，第一减压阀的出口经进气阀B与吸附塔B的入口连通。

本发明还提供了一种耦合式变压吸附制氧方法，主要包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述耦合式变压吸附制气系统；

步骤二、打开均压阀B,吸附塔B产气端已提纯的氧气/氮气流入吸附塔A，吸附塔A内的压力增大，完成吸附塔B产气端对吸附塔A进气端的均压过程；

步骤三、打开吹扫充压阀A和排废阀B,产气罐内的提纯氧气/提纯氮气流入吸附塔A，对吸附塔A进行反向充压，进一步提高吸附塔A内的压力；

步骤四、打开进气阀A、产气阀A和排废阀B，吸附塔A进气吸附产气，气体流入产气罐，吸附塔B解析排气，排空；同时，打开吹扫充压阀B，通过产气罐对吸附塔B进行反吹；反吹次数由实际调试确定；

步骤五、打开均压阀A，吸附塔A产气端已提纯的氧气/氮气流入吸附塔B，吸附塔B内的压力增大，完成吸附A产气端对吸附塔B进气端的均压过程；

步骤六、打开排废阀A和吹扫充压阀B，产气罐内的提纯氧气/提纯氮气流入吸附塔B，对吸附塔B进行反向充压，提高吸附塔B内的压力；同时吸附塔A开始排放；

步骤七、打开排废阀A、进气阀B和产气阀B，吸附塔B进气吸附产气，气体流入产气罐；吸附塔A解析排气，排空；同时，打开吹扫充压阀A，通过产气罐对吸附塔A进行反向吹扫。

本发明的原理为：本发明在空气缓冲罐、产气罐等缓冲罐内装填某种分子筛，利用缓冲罐与吸附塔之间的压力互动，使装填有分子筛的缓冲罐也产生变压吸附效果。这种变压吸附效果使进入吸附塔的气体水份总量虽然没有改变，但水份含量随压力变化会产生周期性波动，通过选择合适的分子筛，调配控制水份含量的波峰、波谷进入吸附塔的时机，可以使产气露点稳定到一个较低的值，如－65℃。由于进出空气缓冲罐罐、产气罐的水份总量始终维持了一个动态平衡，所以空气罐、产气罐均不会因为吸附的水份在容器中累积，露点指标相对稳定，露点的波动区间相比采用吸附干燥机后干燥要小得多。此外，空气缓冲罐罐、产气罐内的分子筛都在远离其吸水能力极限(达到－65℃时的最大吸水量)的条件下工作，基本上不存在因为空气罐、产气罐内分子筛吸水性能下降导致露点上升的情况，因此露点的实时监测就完全可以改为定时的检测；不存在再生气耗，无需再配置吸附干燥机。

本发明所述变压吸附制氧系统运行时，空气缓冲罐在吸附塔开始进气时压力下降，在吸附塔逐渐升压至吸附压力时压力上升，因此空气缓冲罐对空气中的水份同样产生了变压吸附效应；空气缓冲罐内的5A沸石分子筛在压力下降时，会有部分水份解吸出来，在压力上升时又有部分水份被吸附，因此在吸附塔整个吸附周期内，进入吸附塔空气的水份含量随着空气缓冲罐的吸附解吸是在逐渐变化的。从总量上看，水份的吸附与解吸维持了一个动态的平衡，即该过程中解吸出来的水份等于吸附的水份。这意味着，空气缓冲罐内的5A沸石分子筛不会因为吸水累积至饱和而失效；但这种进入吸附塔的含水量随着空气缓冲罐的解吸吸附由多变少的现象本身，却延长了水份对吸附塔的穿透时间，降低了产气露点，并在吸附塔转为解吸状态时随废气排入大气。同样地，产气罐在产气、吹扫、充压工况过程中，也产生了变压吸附效应：产气罐在吸附塔产气时，压力会逐渐上升，此过程为吸附水份；在吹扫、充压工况过程中压力会瞬时下降，其吸附的水份会部分释放出来，而反吹进入吸附塔的水份，会随着吸附塔的解吸工况，随废气排入大气，因此同样地起到了降低产气露点的作用。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用空气罐、吸附塔、产气罐之间的压力互动，使装填有分子筛的空气罐、产气罐也产生变压吸附效果，与吸附塔变压吸附进行耦合，达到降低产气露点的目的；所述变压吸附方法不仅可以用于降低产气露点，也可用于提高纯度与回收率；所述变压吸附方法，利用其压力互动，对气源及产气进行联动的变压吸附，亦可增强吸附塔的变压吸附效果。

2、本发明所述变压吸附方法，还可用于氮气等气体的制取。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的流程图。

其中：1、吸附塔A；2、吸附塔B；3、空气缓冲罐；4、产气罐；5、空气压缩机；6、第一减压阀；7、止回阀；8、第二减压阀；9、节流阀；10、消音器；11、进气阀A；12、排废阀A；13、均压阀A；14、产气阀A；15、吹扫充压阀A；16、进气阀B；17、排废阀B；18、均压阀B；19、产气阀B；20、吹扫充压阀B。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示的一种耦合式变压吸附制气系统，主要包括空气缓冲罐3、吸附塔A1、吸附塔B2和产气罐4，所述空气缓冲罐3的出口与第一减压阀6的入口连通，第一减压阀6的出口经进气阀A11与吸附塔A1连通，第一减压阀6的出口经进气阀B16与吸附塔B2的入口连通，第一减压阀6调节压缩空气的进气压力为0.55MPa；在空气缓冲罐3与第一减压阀6之间的管道上设有分支管路，分支管路上配置有空气压缩机5；吸附塔A1的入口经排废阀A12与消音器10连通，吸附塔B2的入口进排废阀B17与消音器10连通,消音器10用于降低排废时的噪音；所述吸附塔A1的出口经产气阀A14与止回阀7的入口连通，吸附塔B2的出口经产气阀B19与止回阀7的入口连通，止回阀7的出口与产气罐4的顶部连通，吸附塔A1的出口经吹扫充压阀A15与产气罐4的顶部连通，吸附塔B2的出口经吹扫充压阀B20与产气罐4的顶部连通，产气罐4的底部通过管道依次与第二减压阀8和节流阀9连通，第二减压阀8调节纯氧的供气压力为0.3MPa；吸附塔A1的出口经均压阀A13与吸附塔B2的入口连通，吸附塔B2的出口经均压阀B18与吸附塔A1的入口连通。所述吸附塔A1、吸附塔B2、空气缓冲罐3和产气罐4均分别内置有分子筛。

优选地，所述吸附塔A1和吸附塔B2分别内置有G502沸石分子筛；所述空气缓冲罐3和产气罐4分别内置有优选的5A沸石分子筛，5A沸石分子筛扩容倍数可达空气缓冲罐3/产气罐4水容积的2.5～3倍，视压力不同略有变化。空气缓冲罐3的进气和出气同向，使得不同时间含水量随压力变化产生周期变化，刚好匹配吸附塔的吸附能力变化。由于分子筛吸附气体会形成吸附相(接近液态密度)产生扩容效果的原因，罐体水容积适当进行了减小。

制氮过程与制氧过程相同，以下以制取氧气为例，对本发明所述变压吸附方法进行进一步地说明。

一种耦合式变压吸附制气方法，主要包括以下步骤(各管道上的阀门初始状态均为闭合状态)：

步骤一、提供如上所述耦合式变压吸附系统；

步骤二、打开均压阀B18,吸附塔B2产气端已提纯的氧气流入吸附塔A1，吸附塔A1内的压力增大，完成吸附塔B2产气端对吸附塔A1进气端的均压过程，同时也为建立吸附塔A1床层由进气端到吸附塔A1产气端含氧量逐渐上升的纯度梯度的第一步；

步骤三、打开吹扫充压阀A15和排废阀B17,产气罐4内的提纯氧气流入吸附塔A1，对吸附塔A1进行反向充压，进一步提高吸附塔A1内的压力，同时也为建立吸附塔A1床层由进气端到吸附塔A1产气端含氧量逐渐上升的纯度梯度的第二步；

步骤四、打开进气阀A11、产气阀A14和排废阀B17,吸附塔A1进行吸附产气；接着，打开吹扫充压阀B20，对吸附塔B2进行解吸反吹排废；关闭吹扫充压阀B20，对吸附塔A1进气吸附产气；多次对吸附塔B2进行反向吹扫和排废气，实现吸附塔A1的进气产气过程；反吹次数由实际调试确定；

步骤五、打开均压阀A13，吸附塔A1产气端已提纯的氧气流入吸附塔B2，吸附塔B2内的压力增大，完成吸附A1产气端对吸附塔B2进气端的均压过程；

步骤六、打开排废阀A12和吹扫充压阀B20，产气罐4内的提纯氧气流入吸附塔B2，对吸附塔B2进行反向充压，提高吸附塔B2内的压力；

步骤七、打开排废阀A12、进气阀B16和产气阀B19，吸附塔B2进气吸附产气；打开吹扫充压阀A15，通过产气罐4对吸附塔A1进行解吸反向吹扫排废；关闭吹扫充压阀A15，对吸附塔B2进气吸附产气；多次对吸附塔A1进行排废气和反向吹扫再生，实现吸附塔B2的进气产气过程；反吹次数由实际调试确定。

如表1所示，本实施例包括18个时段，其中步骤二对应时段1，步骤三对应时段2，步骤四对应时段3～9,步骤五对应时段10，步骤六对应时段11，步骤七对应时段12～18。

表1变压吸附制氧时序表

注：反吹次数由实际调试确定。

在步骤四中，也即时段3、4、5、6、7、8、9，对吸附塔A1而言均为吸附产气阶段。在吸附塔A1的进气初期，由于空气压缩机5的排气量是恒定的，需要空气缓冲罐5内的气体对吸附塔A1进行补充增压，导致空气缓冲罐5内压力下降，此时空气缓冲罐5内5A沸石分子筛中吸附的水份部分释放出来，混入空气中对吸附塔A1进行进气，使初始阶段吸附塔A1的进气露点上升；但由于此时吸附塔A1刚进入吸附产气阶段，吸附塔A1内的G502分子筛远远未达到吸附饱和状态，对水份的吸附量远大于解吸量，故其有足够的吸附能力与吸附时间去滞留水份，因此进去吸附塔A1内的空气水份大部分被吸附，仅有微量会向吸附塔A1的产气端迁移。随着空气压缩机5内的压缩空气持续补充，空气缓冲罐3和吸附塔A1内的压力缓缓上升，此时空气缓冲罐5内5A沸石分子筛吸附水份，使进入吸附塔A1水份含量减少，吸附塔A1进气端的G502沸石分子筛由于吸附了大量氮气逐渐达到吸附饱和状态，吸附饱和区扩大，对水份的滞留能力减弱，吸附塔A1吸附床层进气端的G502沸石分子筛间余隙气中的水含量上升，吸附塔A1产气端未达饱和的分子筛对减少的水份仍然有足够的吸附能力与吸附时间实现对水份的滞留，这就使得整个吸附产气阶段，水份都未能大量穿透吸附床层，故显著降低了产气露点。

在步骤七中，也即时段11、12、13、14、15、16、17、18，吸附塔A1解吸排废，并间歇性通过产气罐4进行反向吹扫；反向吹扫时，产气罐4内的压力有所下降，产气罐4解吸出的水份反向吹扫流入吸附塔A1中，并随之排入大气。

在制氧流程的样机测试中，连续开机长达800h，其露点可一直稳定在－65℃，远远超过了空气缓冲罐3、产气罐4装填的5A沸石分子筛吸水饱和到解吸的切换周期，这也验证了露点的降低并非是短时效应。本发明所述变压吸附方法，在制氮时也有同样的效果，经测试，制99.999％(无氧含量99.9997％)时，露点也可稳定在－65℃。经进一步分析验证，可通过改换空气缓冲罐3、产气罐罐4内分子筛以及选择合适的罐体水容积可进一步降低产气露点，使其可达到－70℃左右。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，主要包括空气缓冲罐、空气压缩机、吸附塔A、吸附塔B和产气罐，所述空气缓冲罐的进口通过管道与空气压缩机相连，空气缓冲罐的出口通过进气阀A与吸附塔A进气口连通，空气缓冲罐的出口通过进气阀B与吸附塔B的进气口连通；所述吸附塔A的入口通过管道与排废阀A相连，吸附塔B的入口通过管道与排废阀B相连；所述吸附塔A的出口经产气阀A与产气罐连通，吸附塔B的出口经产气阀B与产气罐的顶部连通；吸附塔A的出口经吹扫充压阀A与产气罐的顶部连通，吸附塔B的出口经吹扫充压阀B与产气罐的顶部连通；吸附塔A的出口经均压阀A与吸附塔B的入口连通，吸附塔B的出口经均压阀B与吸附塔A的入口连通；所述吸附塔A、吸附塔B、空气缓冲罐和产气罐均分别内置有分子筛。

2.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述空气缓冲罐内置有5A沸石分子筛。

3.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述产气罐内置有5A沸石分子筛。

4.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述吸附塔A和吸附塔B分别内置有G502沸石分子筛。

5.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述空气缓冲罐内设有分子筛床层，分子筛铺于分子筛床层上；所述空气缓冲罐的进气和出气为相对空气缓冲罐内分子筛床层同向。

6.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述产气罐的底部通过管道依次与第二减压阀和节流阀连通。

7.如权利要求1所述的耦合式变压吸附制气系统，其特征在于，所述空气缓冲罐的出口与第一减压阀的入口连通，第一减压阀的出口经进气阀A与吸附塔A连通，第一减压阀的出口经进气阀B与吸附塔B的入口连通。

8.一种耦合式变压吸附制气方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤一、提供权利要求1所述耦合式变压吸附制气系统；

步骤二、打开均压阀B,吸附塔B产气端已提纯的氧气/氮气流入吸附塔A，吸附塔A内的压力增大，完成吸附塔B产气端对吸附塔A进气端的均压过程；

步骤三、打开吹扫充压阀A和排废阀B,产气罐内的提纯氧气/提纯氮气流入吸附塔A，对吸附塔A进行反向充压，进一步提高吸附塔A内的压力；

步骤四、打开进气阀A、产气阀A和排废阀B，吸附塔A进气吸附产气，气体流入产气罐，吸附塔B解析排气，排空；同时，打开吹扫充压阀B，通过产气罐对吸附塔B进行反吹；反吹次数由实际调试确定；

步骤五、打开均压阀A，吸附塔A产气端已提纯的氧气/氮气流入吸附塔B，吸附塔B内的压力增大，完成吸附A产气端对吸附塔B进气端的均压过程；

步骤六、打开排废阀A和吹扫充压阀B，产气罐内的提纯氧气/提纯氮气流入吸附塔B，对吸附塔B进行反向充压，提高吸附塔B内的压力；同时吸附塔A开始排放；

步骤七、打开排废阀A、进气阀B和产气阀B，吸附塔B进气吸附产气，气体流入产气罐；

吸附塔A解析排气，排空；同时，打开吹扫充压阀A，通过产气罐对吸附塔A进行反向吹扫。

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