CN1093613A - 提纯的方法和设备 - Google Patents

Abstract

依次通过在下面的由优先吸附空气中的水蒸汽 的活化氧化铝组成的第一床(4)和在上面的由优先吸 附空气中的二氧化碳的沸石13X分子筛组成的第二 床(6)来提纯空气。该空气自下而上通过第一床(4) 和自上而下通过第二床(6)。一旦床(4)和床(6)被吸 附物全充满，就将热再生气体通过它们使其再生。一 部分再生气体自上而下流过第一床(4)；另一部分则 自下而上通过第二床(6)。热再生气引起原来被吸附 的组分解吸。一旦再生结束，而该床已恢复到其吸附 温度，它们就可再次用来提纯空气。

Description

本发明涉及提纯含有水蒸汽、二氧化碳等杂质的气体流的方法和设备。

在工业上，氧和氮主是由空气精馏而制得的。从由精馏的空气进料中除去水蒸汽和二氧化碳是必要的。在现代空气精馏分离工厂中，这种提纯是由吸附来实现的。压缩空气的进料流先通过第一层吸附剂，优先吸附水蒸汽，然后通过第二层吸附剂，优先吸附二氧化碳。一般是当一对这种吸附层用来提纯原料空气时，另外一对正在再生，以使得总是至少有一对吸附层可用于提纯原料气体。

空气分离厂有一种倾向，就是要求尽量满足日益增长的氧的需求。结果，对初级吸附阶段的需要变得越来越大。

实际上，出于多种原因，对可装有吸附层的容器尺寸有限制。因此，一般每天至少生产1000吨的大型空分厂可能需要几个吸附罐。所以，需要改进吸附方法，以便使单位体积床层的吸附操作的生产率能增大。

在通常的提纯空气吸附方法中，空气流自下而上垂直地流过第一吸附粒子层，该层粒子优先吸附水蒸汽，然后通过第二吸附粒子层，该层粒子优先吸附二氧化碳，过快的气流速度将使吸附层流态化。因此，对空气速度有一个极限，结果，通入选定尺寸的吸附剂容器中的空气流量也就有个极限。

一旦吸附剂层吸满了被吸附的杂质，一般用比较热的再生气体反向通过床层来进行床层的再生。由于二氧化碳倾向于比水蒸汽吸附得更弱一些，因此在再生气体通过了吸附了二氧化碳的床层之前，是不会达到吸附了水的床层之上的，这就造成在再生阶段会出现无效。所以再生热能会有浪费，而过多的再生时间会长于按其它方式可能的时间。

在美国专利4，627，856中公开了一种改进的再生步骤。在美国专利申请4，627，856中叙述的这个方法中，有一个下床层，它又由低层的氧化铝凝胶和高层沸石13X分子筛组成，还有一个上床层由沸石13X分子筛组成。在吸附阶段水蒸汽在下床层的低层被吸附。二氧化碳的吸附在下床层的高层开始，而在上床层完成。用热气体进行的再生是将此气体从上至下先经过上床层，然后通过下床层。经过选定的时间间隔以后，当上床层再生完成时，将再生气体从旁路绕开此床层直接通过下床层。这就达到了减少再生时间和节省热能。然而，美国专利申请4，627，856并没有对改进提纯方法吸附期的问题提出建议。

按照本发明，提供一种含有水蒸汽和二氧化碳等杂质的原料气流的提纯方法，它包括依次反复进行的如下二步骤：

a）将进料气流依次自下而上地通过含有优先从该气流中吸附水蒸汽的第一种吸附剂的第一粒子床，然后再自上而下地通过含有优先从该气流中吸附二氧化碳的第二种吸附剂的第二粒子床;和

b）将再生气体以与进料气流流动方向相反的方向通过每一床层，通过使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳发生解吸，而使床层再生。

本发明也提供了提纯进料气流用的设备，它依次包括一个含有能优先从进料气流中吸附水蒸汽的第一种吸附剂的第一粒子床;一个含有能优先从进料气流中吸附二氧化碳的第二种吸附剂的第二粒子床;使进料气流自下而上流过第一床，和自上而下流过第二床，使得能发生水蒸汽和二氧化碳吸附的装置;使再生气体自上而下通过第一床、自下而上通过第二床，使得原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳被解吸的装置。

第一床和第二床最好装在同一容器中。如有必要，一个容器中可装有多于一对床，其排列方式要让一对床再生时，另一对用于提纯进料气体。这些床可以垂直地排在容器中，因此该容器有一个垂直的纵轴，也可以按另外方式水平排放，这样该容器就有一个水平的纵轴。

进料气体较好是空气。

第一床所有的粒子平均粒度较好大于第二床。粒子尺寸越大，则通过第一床的可容许气流速度就越高。在恒定的平均粒子尺寸下，随着气流速度增加，第一床单位体积吸附水蒸汽的速率也增大。虽然单位体积第一床的水蒸汽吸附能力随粒子尺寸增大而增加，当第一种吸附剂包含有活化氧化铝时，这不会有特别明显的影响。（在另外情况下，第一种吸附剂可以是例如二氧化硅）。活化氧化铝的平均粒子尺寸较好为0.10～0.15英寸。

在此第一床中最好基本没有二氧化碳被吸附。虽然活化铝或氧化硅吸收水蒸汽优于吸附二氧化碳，只要足够的吸附剂可以得到，两者都能够吸附二氧化碳。

希望在第一床中完成水蒸汽的吸附。

使载气自上而下地流过第二床，即使第二床中的平均粒径是这样，即假如是自下而上时以某种速度流过第二床时，足可以使其流态化时，也可以避免这个床流态化。因此，有利的是可以为第二床选用比较小的平均粒径。这样较小的平均粒径也有助于减少为完成给定任务所需的第二种吸附剂的量。选用第二种吸附剂的平均粒径小于第一种吸附剂，其优点是通过床层的压降要小于整个床层全用平均粒径比较小的粒子时的压降。再有，最好使用通过第二床的气体速度基本上等于通过第一床的速度。比较高的气速是有利的，因为在恒定的平均粒径条件下，随着气体速度增加，单位体积第二床吸附二氧化碳的速率就增加。第二床最好含有平均粒径最好在0.050～0.075英寸的沸石13X分子筛。

由于第二种吸附剂一般比第一种吸附剂更容易再生，因此在选择再生气通过第二床的速度时，有足够的余地使其低到足以避免在再生阶段发生流态化。选择较小的第二床平均粒径使得能够减小为完成给定任务所需的第二床的体积。

使进料气体以比较高的速度（与传统方法相比）通过第一床和第二床，就可以得到一个或两个如下的好处：首先，与吸附床的传统安排方式相比，两个床的截面积都可以减小，这就可以减小所用容器的尺寸或数目;第二，缩短了吸附阶段的时间。

通过第二床的再生气体最好不流经第一床。因此，最好用两个分开的再生气流来再生第一床和第二床，即使这样的分开气流可以取自同一个再生气源。这样，与传统方法相比，可以缩短再生阶段的时间，因为用于再生第一床的气体在第一床的上游位置并没有放出热量。其次，与使用同样尺寸的床的传统方法相比，在一定时间（比如说24或48小时）内可以完成的每次由吸附阶段和随同的再生阶段组成的循环次数可以增加。

进料气体一般是在5～40℃的温度和2～20巴的压力下提纯，再生的温度一般60～250℃。再生的压力可以与吸附压力相同，也可低一些。

现在将以实例的方法叙述按照本发明的方法和设备，同时参考附图，其中：

图1是说明在一个园柱形吸附罐中从空气中吸附杂质的示意流程图，该罐中有一个垂直轴，其中装有两个分离的吸附剂剂床;

图2是说明如图1所示的吸附剂床再生的示意流程图;

图3是说明一个园柱形吸附罐操作的示意流程图，此罐有一个垂直轴，并装有四个分离的吸附剂床;

图4是说明一个园柱形吸附罐操作的示意流程图，此罐有一个水平轴，并装有两个分离的吸附剂床，以从进料空气流中除去杂质;

图5是说明如图4所示的吸附剂床再生的示意流程图;

图6是说明一个园柱形吸附罐操作的示意流程图，此罐有一个水平的轴，并装有4个分离的吸附剂床，以提纯空气。

在这些附图中，用相同的标号表示同样的部件。

参见图1，一个一般是园柱形的吸附罐（2），其中在下部装有由活化氧化铝粒子（4）组成的第一床（4），在上部装有由沸石13X分子筛粒子组成的第二床（6）。床（4）的平均粒径为0.125英寸，床（6）的平均粒径为0.0625英寸。一个水平的隔板（8）穿过此罐内部，防止气体从床（4）通过此罐流到床（6），或反向流动。

在操作如图1中所示的设备时，一般压力为4～15巴（绝压）、温度近于常温的进料空气从设备的底部流进床（4）。空气自下而上通过床（4）。当空气向上流动时，水蒸汽就优先于二氧化碳和空气主要组分（氧、氮和氩）被从空气中吸附出来。干燥的空气离开床（4）顶部，从罐（2）流出，并重新在其顶部流入罐（2）。干燥空气在此从顶向底流过床（6）。分子筛粒子从空气中吸附二氧化碳。这样，从其中基本上除去了所有其初始水蒸汽和二氧化碳含量的纯空气流离开床（6）的底部，在压力稍低于入口压力、温度基本上与入口相同的条件下流出罐（2）。如果希望分离此空气，纯空气流通过至少一个换热器（未表示出），将其冷却至接近其饱和温度，然后将被冷却的空气精馏，形成富氧和富氮的产物。

这时，床（4）几乎为被吸附的水蒸汽所饱和（即吸满），而床（6）几乎为被吸附的二氧化碳所饱和（即吸满）。床（4）和床（6）的相对深度是按这样方式安排的，即它们基本上同时被饱和。就在即将饱和时，罐（2）和进料空气之间的通道被中断。（一个所谓“吸附面”逐渐从每个床的上游端向下游端移动。在吸附面即将达到下游端时，吸附就停止了，否则杂质将会从这两个床中“溢出”）。

然后，从附图2中所描述的方式进行床（4）和床（6）的再生。一般使用压力为1.5～5巴（绝压）、温度为80～250℃的再生气流。最好取出一部分富氮气体精馏产品，并将其加热到所需温度来构成再生气体。再生气体分成两部分。一部分再生气体被引入罐（2）中，进入床（4）顶部与隔板（8）之间的空间，并自上而下通过床（4）。此再生气体引起水蒸汽从床（4）的吸附剂粒子上解吸，经过一般延长的时间，能基本上使原先被吸附的水蒸汽全部解吸。第一床由向下流动的再生会确保使任何解吸的水都凝下来，而不会在随后的吸附阶段被带到第二床中。

第二部分再生气在床（6）底部与隔板（8）之间的地方通入罐（2）。因此，第二部分再生气体自下而上通过床（6）到达其顶部，并且排出罐（2）。通过床（6）的再生气体对从沸石分子筛上解吸二氧化碳是有效的，经过一段延长的时间后，所有原来在吸附阶段被吸附的二氧化碳全都被解吸。

通过第二床（6）的再生气体的流速一般安排得小于通过第一床（4）的流速，以保证在床（6）中比较小的粒子不会流态化。

在典型的提纯空气的装置中，有至少一对罐（2），使得能够连续地提纯空气。在一部分时间内，一个罐被用来从进料空气中吸附水蒸汽和二氧化碳，而在另一个罐中的吸附剂床进行再生。这样，一旦在一个罐中的床正接近饱和，则进料空气被切换到已再生好的罐中。

参见图3，这显示了另外一种安排，在这里有两对吸附剂床（14）和（16）被装在同样一般是园柱形的罐（12）中。第一对床（14）包括下层活化氧化铝粒子床（4）和上层沸石13X分子筛粒子床（6）。穿过罐（12）有一个隔板（18），用来防止在下面一对床（14）的床（4）和床（6）之间通过气流。在图3中，下面一对床（14）被表示在净化进料空气。下层对床（14）净化空气的操作与前面参考的图1中叙述的床（4）与（6）的操作相似。

上层的对床（16）包括一个在下面的活化氧化铝粒子第一床（4）和一个在上面的沸石13X分子筛粒子第二床（6）。一个隔板（20）防止气体从下层对床（14）的床（4）通过罐流到上层对床（16）的床（4）或相反的流动。而隔板（22）防止气流从上对床的第一床（4）通过罐流向第二床（6），以及相反的流动。正如图3所显示，上对床（16）正在进行再生。再生是按照和前面参照图2所叙述的相似的方法进行的。当下层对床（14）接近饱和时，上床对床（16）就可以被用来从进料空气中吸附水蒸汽和二氧化碳，而下层对床（14）可以再生。这样就可以进行进料空气的连续提纯。

参见附图图4，这里显示了一个装有水平伸展的纵轴的一般是园柱形的罐（30）。罐（30）装有一个活化氧化铝粒子的第一床（4）的和沸石13X分子筛粒子的第二床（6）。床（4）和床（6）彼此被隔板（32）隔开。在图4中所显示的床（4）和床（6）是这样的，当空气自下而上通过床（4）时，通过吸附水蒸汽;而当空气自上而下通过床（6）时，通过吸附二氧化碳从而使进料空气被提纯。这些床的操作与参考附图1中叙述的床（4）和床（6）的操作相似。

图5说明在图4中所示的床的再生。一股再生气流自上而下流过床（4）以驱赶掉水蒸汽;第二股再生气流自下而上通过床（6）以驱赶掉二氧化碳。这个再生阶段的操作和前面参考附图2中所叙述的操作相似。

现在参见图6，这显示了一个装有其水平纵轴的一般是园柱形的罐（40）。此罐装有一个由吸附剂床（4）和（6）组成的第一对床（14）和由这样的床组成的第二对床（16）。这些床按水平一行排列，而且每个床和相邻床之间有一个隔板（42）。图6中显示的罐（40），其第一对床（14）正在从进料空气中吸附水蒸汽和二氧化碳杂质，而第二对床（16）被再生。在图6中所示设备的操作和前面参考图3中所叙述的操作相类似。

因为附图是示意性的，它表示了气流的方向，而装有吸附剂床的罐的实际物理结构并未表明。然而，这些罐的结构可以是传统的，用传统的阀门排列、传统的支撑床设施和传统的气体分布装置。每个吸附剂床的尺寸可以按照在先有技术中公知的传统设计程序来选择，一般第一吸附剂床的深度要小于第二吸附剂床。

在每个上述的按照本发明的吸附设备实例中，每个床（4）的深度都是0.7米，重12吨，由呈珠状、平均粒径0.125英寸（3.175毫米）的活化氧化铝吸附剂粒子组成，每个床（6）的深度都是1.7米，重22吨，由呈珠状、平均粒径8×12目（即1.59毫米）的沸石13X分子筛吸附剂粒子组成。用来组成床（4）的活化氧化铝的一种适当商品形式是ALCOA    F200活化氧化铝。用来组成床（6）的沸石13X分子筛的一种适当商品形式是UOP沸石13X    APG分子筛。图1和图2中所示的罐（2）如同图3中所示的罐（2），直径可达5米。图4和图5中所示的罐（30）从其园柱壁一端到另一端的长度（即图4和图5中所示的距离AB）为9.24米，内径为5米。图6中所示罐（40）从其园柱壁一端到另一端（即图6中所示的距离CD）为18.5米，内径为5米。

在刚刚前面那一段中所叙述的任何一个吸附罐操作的例子中，压力为15绝对巴、温度为25℃，含二氧化碳为400ppm（体积）的空气以每小时20万标立米的流量被提纯，结果得到1ppm（体积）二氧化碳的干燥气体。在典型的操作周期内，吸附时间为4小时。然后该床被降压，在长达30分钟的部分“切换期”内，降到选定的再生压力。使用温度为150℃、基本不含二氧化碳的干燥气体在开始1.5小时内进行再生。在这1.5小时内，再生气流是进入的空气流量的15～20%。一般来说，有67%的再生气流通过活化的氧化铝床，而33%的再生气流通过沸石床。再生气体可以是氮气或提纯过的空气。对于后者，再生气体的流量最好为进入空气量的15%（即3万标立米/小时）。在初期再生结束时，再生气流继续保持不变的流量，但是原先用来加热它的设施被短路。这样，此再生气体流以大约常温进入吸附罐，这样就降低了床的温度。常温的再生气流继续通过2小时。然后是另一个30分钟的切换期，在这段时间内再用干燥空气将床加压到15绝对巴的吸附压力。

一般说来，当一对床正在吸附杂质时，另一对床正在被再生。一对床吸附结束时的切换期正好和另一对床再生结束时的切换期同时发生。此同时发生的切换期是这样安排的，即纯空气的生产始终在持续进行。在一种安排中，一对床持续进行纯空气生产，同时另一对被加压。然后进料空气同时进入两对床，而纯空气从这两对床中都产出。然后升压的一对切换到满负荷生产纯空气，而另一对同时进行降压，而在切换期结尾完成降压过程。

Claims (13)

1、提纯含有包含水蒸汽和二氧化碳等杂质的进料空气流的一种方法，它包括依次反复如下步骤：

a)依次将进料空气流先自下而上通过含有优先从空气流中吸附水蒸汽的第一种吸附剂的第一粒子床，然后自上而下通过含有优先从空气流中吸附二氧化碳的第二种吸附剂的第二粒子床；和

b)将再生气以与进料气流流动方向相反的方向通过每个床，通过使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳的解吸而使这些床再生。

2、如权利要求1所要求的方法，其中第一床中的平均粒径大于第二床。

3、如权利要求1或2中所提出的方法，其中在第一床中没有或小于二氧化碳总量10%的二氧化碳被吸附。

4、如权利要求3中所提出的方法，其中在第一床中完成水蒸汽的吸附。

5、如前述权利要求中任一项所提出的方法，其中流过第二床的再生气都不流过第一床。

6、如权利要求5中所提出的方法，其中使用分开的再生气流来再生第一床与第二床。

7、如前述权利要求中任一项所提出的方法，其中进料气体是空气。

8、提纯进料气流用的设备，它依次包括：一个含有能优先从进料气流中吸附水蒸汽的第一种吸附剂的第一粒子床;一个含有能优先从进料气流中吸附二氧化碳的第二种吸附剂的第二粒子床，使进料气流自下而上通过第一床和自上而下通过第二床，从而使水蒸汽和二氧化碳的吸附得以发生的装置;使再生气体自上而下通过第一床和自下而上通过第二床，从而使原先被吸附的水蒸汽和二氧化碳能被解吸的装置。

9、如权利要求8中所提出的设备，其中第一床和第二床被装在同一容器中。

10、如权利要求8或9中所提出的设备，其中在同一容器中装有一对以上的第一床和第二床。

11、如权利要求9或10中所提出的设备，其中所述各床是垂直排列或水平排列的。

12、如权利要求8～11中任一项所提出的设备，其中第一床中所拥有的平均粒径大于第二床。

13、如权利要求8～12中任一项所提出的设备，其中使再生气体自上而下流过第一床和自下而上流过第二床的装置，在使用时，形成通过两个床的分开的气流，使得所有流过第二床的再生气体都不流过第一床。

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