CN109319740A - 一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统 - Google Patents

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陶瑞
林征宇
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Tibet Hotai Gas Equipment Technology Co Ltd
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B13/0259Physical processing only by adsorption on solids
    • C01B13/0262Physical processing only by adsorption on solids characterised by the adsorbent

Abstract

一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,是对现有两塔变压吸附制氧系统的改进,即同时采用多个吸附塔组和多通道气路控制阀使吸附循环的时间大幅度减少,提高单位时间内吸附剂利用率和降低操作压力,通过调整吸附塔组的个数来调节吸附循环时间,使循环时间≤8s,操作压力≤0.2Mpa,显著地提高吸附剂的生产率和系统的稳定性,降低设备成本。

Description

一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统
技术领域
本发明涉及气体分离技术领域,具体为一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统。
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气方面。由于产氧浓度高、设备成本低等诸多优点,基于PSA原理的制氧设备在家庭医疗、医院供氧等领域获得更为广泛的应用。对于PSA制氧设备,产氧浓度、氧气回收率、能耗和吸附剂生产率是衡量系统性能的主要指标,其中吸附剂生产率的大小直接影响设备的成本和占地面积。然而,传统PSA制氧设备由于流程设计不足,单位产氧所用的吸附剂量较大,该指标通常由每天产单位吨氧需吸附剂量(即衡量吸附床大小)来表征,用床层因子BSF(Bed size factor)来表示。目前工业级PSA制氧设备的BSF约为300kg·TPD-1(TPD,表示每天产单位吨氧),减小BSF而提高吸附剂生产率有利于获得更好地制氧性能。
为此,国内外通过改进吸附剂种类、流程优化等方式来提高吸附剂生产率。国内专利CN201611231238.0提出了单塔低压吸附真空解吸制备氧气的系统,通过简化吸附塔和多次均压,实现快速吸附和解吸过程,提高吸附剂生产率。然而,多次均压的实现需要多个缓冲罐,使系统组成变得复杂。国内专利CN104747756 B提出了一种应用旋转阀的五管吸附塔PSA制氧机实现4塔吸附分离过程,但由于吸附塔结构设计的不足和高度集成性,部分吸附剂未被充分利用,吸附剂生产率仍较低。
国外专利US20020112606A1 提出了采用细颗粒吸附剂提高单塔真空PSA制氧系统中吸附剂生产率的方法,细颗粒吸附剂中气体具有很高吸附速率,有利于缩短循环周期,获得较高的吸附剂生产率,但由于流程设计的不足,系统能耗较高。传统细颗粒制氧吸附剂利用可获得较高生产率,但会引起较大床层压降,专利EP 0139247 A1 而具有不同几何形状通道的整体吸附剂可有效提高生产率,但由于其流程的不足,吸附剂生产率仍不能达到理想值。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足,提供一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统。
现有典型的PSA制氧系统,如图1所示,吸附塔组通常有A、B两个吸附塔组成,吸附塔内通常装填颗粒直径较大的锂型制氧吸附剂,由于大颗粒吸附剂添加了较多的添加剂,其产氧速率一般≤100NL/h.kg,吸附循环时间≥20s,较长的切换时间使吸附剂生产率较低,BSF约为300kg·TPD-1,而对于产氧量≤30L/min的小型变压吸附制氧系统,装填了颗粒直径较小的锂型制氧吸附剂,细颗粒直径吸附剂使用有效提高了吸附剂生产率,其产氧速率一般≤200NL/h.kg,BSF约为120kg·TPD-1,但由于流程设计的不足,吸附循环时间≥15s,吸附剂生产率仍较低。
本发明提出一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,如图2所示,吸附塔组由2组4个 小吸附塔组成,即m=4,n=2,由于吸附塔数增加为8个,单个吸附塔比传统两塔制氧系统的吸附塔体积缩少约为原来的25%,吸附过程充压和吸附时间大大缩短,循环时间≤8s,吸附剂生产率得到很大的提高,单位产氧所需的吸附剂大大减少,BSF仅约为60kg·TPD-1,同时,吸附塔体积的缩小使系统工作压力也进一步降低(吸附压力≤0.2 MPa),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。
本发明提出的一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,主要由空气压缩机,冷却系统,多个吸附塔组,多通道气路控制阀等组成,其特征在于:所述的提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统同时采用多个吸附塔组和多通道气路控制阀使吸附循环的时间大幅度减少,提高单位时间内吸附剂利用率,通过调整吸附塔组的个数来调节吸附循环时间,其中吸附循环时间≤8s,作为优选为2~6s,多个吸附塔组为至少m个小吸附塔组成的吸附单元或至少由m个小吸附塔组成的单元并联而成的n个吸附塔组,其中吸附塔中装填了至少2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0.5~2 mm)的预处理吸附剂层,第二层为颗粒直径很小(颗粒直径为0.5~1.0 mm)的主制氧吸附剂层,该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,作为优选m为4、6或8的偶数,n由下式确定,其中式中Q为产氧量(m3/min),r为吸附剂产氧率(m3/min.kg),v为空塔速度(1/m2),D为吸附塔直径(m)。
在上述技术方案中,所述多通道气路控制阀为电磁阀、气动阀或旋转阀,作为优选而非必要多通道气路控制阀采用由动阀片和静阀片啮合形成多路气道,动阀片不断旋转而制成的旋转阀,旋转阀的旋转速率为5~60r/min,作为优选为10~30 r/min。
在上述技术方案中,所述多个吸附塔组通过多通道气路控制阀将空气压缩机和吸附塔组接通,并连续处理原料空气和产出产品氧气,每个小吸附塔均要经历充压、吸附、均压、反吹等步骤,其中充压和均压时间≤1s,吸附和反吹时间≤5s。
本发明中部分名词释义如下:所说的产品氧气,也可称之为产品气,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),所说的均压是指将两个吸附塔的出气端或者进气端连通,使两个吸附塔内压力均衡的过程,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。
本发明的优点是,
第一、吸附循环时间大大缩短,显著提高吸附剂生产率,减少单位产氧所需的吸附剂量,降低设备成本。
第二、有效降低系统操作压力,减弱高吸附压力对吸附剂的冲击,提高制氧系统的稳定性。
附图说明
图1是现有典型的两塔PSA制氧系统示意图。
图2是本发明的一种提高吸附剂生产率的PSA制氧系统示意图。
图2中,1是空气压缩机,2是冷干机或冷却盘管, 3是进气管路,4是进气排气管路,5是多通道旋转阀,6是解吸消音器,A1~D1为4个(即m=4)装填氮吸附剂的小吸附塔,A2~D2为另一组的4个装填氮吸附剂的小吸附塔,7是流阀,8是单向阀,9是流量控制阀,P1是空气缓冲罐,P2是产品氧气缓冲罐。
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。
本实施例PSA制氧系统由空气压缩机1,冷干机2,管路3和管路4以及吸附塔A1B1C1D1和吸附塔A2B2C2D2组成,如图2所示,空气压缩机1的排气压力约为0.4 MPa,吸附压力为0.15~0.2 MPa,原料空气经增压后进入冷干机2(或冷却盘管)降温除去大部分水分,经进气管路3进入多通道旋转阀5,在多通道旋转阀5的分配下原料空气分别进入吸附塔组A1B1C1D1和吸附塔组A2B2C2D2中进行吸附分离,产出产品氧气,同时在多通道旋转阀5的分配下分别将小吸附塔B1和C1的进气端以及小吸附塔B2和C2的进气端接通进行均压过程,在多通道旋转阀5的分配下分别将小吸附塔D1 和D2的进气端与解吸消音器6接通进行降压解吸过程,从小吸附塔A1和A2的上端排出的产品氧气一部分分别用于小吸附塔D1 和D2反吹清洗,大部分产品氧气经节流阀7和单向阀8排出进入产品氧气缓冲罐P2,随着多通道旋转阀5的旋转,小吸附塔A1和A2依次进行均压、降压和反吹过程,而小吸附塔B1和B2依次进行降压和反吹、均压、吸附过程,小吸附塔C1和C2依次进行吸附、均压、降压和反吹过程,而小吸附塔D1 和D2依次进行均压、吸附、降压和反吹过程,至此吸附塔组经历了一个循环。
经过该循环过程后,吸附循环周期比传统两塔PSA制氧系统大大缩短,吸附剂生产率至少提高1倍,对于较大颗粒(颗粒直径为≥1mm,如法国CECA的OX19型吸附剂)的锂型吸附剂产氧速率提高为200 NL/h.kg,对于较小颗粒(颗粒直径为≤1mm,如法国CECA的N51型吸附剂)的锂型吸附剂产氧速率提高为400 NL/h.kg,大大减少单位产氧所需的吸附剂量,降低设备成本,同时,由于吸附塔数的增多,系统操作压力仅为传统两塔PSA制氧系统的50%,有效降低系统操作压力,减弱高吸附压力对吸附剂的冲击,提高制氧系统的稳定性。

Claims (3)

1.一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,主要由空气压缩机,冷却系统,多个吸附塔组,多通道气路控制阀等组成,其特征在于;所述的提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统同时采用多个吸附塔组和多通道气路控制阀使吸附循环的时间大幅度减少,提高单位时间内吸附剂利用率,通过调整吸附塔组的个数来调节吸附循环时间,其中吸附循环时间≤8s,作为优选为2~6s,多个吸附塔组为至少m个小吸附塔组成的吸附单元或至少由m个小吸附塔组成的单元并联而成的n个吸附塔组,其中吸附塔中装填了至少2层具有不同颗粒直径的碳吸附剂,第一层为颗粒直径较大(颗粒直径为0.5~2 mm)的预处理吸附剂层,第二层为颗粒直径很小(颗粒直径为0.5~1.5 mm)的主制氧吸附剂层,该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,作为优选m为4、6或8的偶数,n由下式确定 ,,其中式(1)中Q为产氧量(m3/min),r为吸附剂产氧率(m3/min.kg),v为空塔速度(1/m2),D为吸附塔直径(m)。
2.根据权利要求1所述的一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,其特征在于:多通道气路控制阀为电磁阀、气动阀或旋转阀,作为优选而非必要多通道气路控制阀采用由动阀片和静阀片啮合形成多路气道,动阀片不断旋转而制成的旋转阀,旋转阀的旋转速率为5~60r/min,作为优选为10~30 r/min。
3.根据权利要求1所述的一种提高吸附剂生产率的变压吸附制氧系统,其特征在于:所述多个吸附塔组通过多通道气路控制阀将空气压缩机和吸附塔组接通,并连续处理原料空气和产出产品氧气,每个小吸附塔均要经历充压、吸附、均压、反吹等步骤,其中充压和均压时间≤1s,吸附和反吹时间≤5s。
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