CN1104927C

CN1104927C - 一种从空气中变压吸附制取高浓度氧气的方法

Info

Publication number: CN1104927C
Application number: CN98120455A
Authority: CN
Inventors: 朱学军; 郭彤; 蓝德田
Original assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Current assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: CN1221642A

Abstract

一种通过变压吸附从空气中制取高浓度氧气的方法，它包括将装填有沸石分子筛的第一级与装填有碳分子筛的第二级吸附单元串联起来，将经过干燥的空气依次通过两级吸附单元，将第一级吸附单元未吸附的气体引入第二级吸附单元，将第一级吸附单元解吸的气体排入大气，将第二级吸附单元未吸附的气体引入富氧产品储罐，将第二级吸附单元解吸的气体先与第一级吸附单元均压，然后再将其后解吸的气体收集于产品氧气储罐中，整个变压吸附过程仅依靠一台无油空压机来完成。

Description

一种从空气中变压吸附制取高浓度氧气的方法

技术领域：

本发明涉及以空气为原料用变压吸附法(以下以PSA表示)生产高浓度氧气的方法，适用于冶金、玻璃制造、环保、医疗等行业生产高浓度氧气。

背景技术：

通常从空气中通过PSA方法获得富氧气体有两种方式，一是采用沸石分子筛作为吸附剂，可获得浓度达95％的富氧气体，另一方式是采用碳分子筛作为吸附剂，只能获得浓度80％的富氧气体。同深冷法获得的氧气相比，由于其所提供的氧气浓度不够高，使其在很多方面的应用受到限制。

空气中的主要成分是氮气、氧气、氩气、二氧化碳和水蒸气。目前采用沸石分子筛的PSA过程是依靠各组分的平衡吸附容量不同来进行分离的，由于氧气的平衡吸附容量比氮气小很多，因此能将氧气从氮气中完全分离出来，同时水分和二氧化碳也能被分子筛有效除去。但是，沸石分子筛对氧气和氩气的平衡吸附量差别不大，因此，富氧气体中氧气和氩气的比率与进料空气中氧气和氩气的比率相同，始终有5％的氩气不能从富氧气体中除去。目前采用的碳分子筛的PSA过程是依靠分子的直径不同，因此它们在碳分子筛内的扩散速率不同来进行分离的。由于氧气分子在碳分子筛内部的扩散速率比氮气分子和氩气分子快，所以可以将氧气从氮气和氩气中分离出来。如果将沸石分子筛和碳分子筛串联起来使用，就可能通过PSA法制取出高浓度的氧气。

从空气中通过PSA法制取高浓度氧是国际上最新的制氧技术之一，80年代以来，美国、日本、西欧等工业发达国家相继开展了这方面的研究工作，如美国专利US 4,880,443、英国专利GB 2,218,923、德国专利DE 3,402,533、欧共体专利EP 163,242、日本专利平1-274822、中国专利CN 1,031,358等，但是这些专利大多数采用两种动力源设备，一般为鼓风机(或空压机)和无油真空泵(或无油加压泵)，设备较复杂，限制了这项技术的应用。本技术发明仅采用一台无油空压机，通过采用独特的流程，就可制取出高浓度的氧气。

因此，本发明的目的是提供一种以较少的设备、较低的建造成本、较简单的操作流程，用PSA法生产高浓度氧气的方法。

发明内容：

本发明的要点是一种用变压吸附法由空气生产高浓度氧气的方法，将装填有沸石分子筛的第一级吸附单元1(包括两个吸附塔)与装填有碳分子筛的第二级吸附单元2(包括两个吸附塔)串联起来，将经过干燥的空气依次通过两级吸附单元，其特征在于，将第一级吸附单元未吸附的气体引入第二级吸附单元，将第一级吸附单元解吸的气体排入大气，将第二级吸附单元未吸附的气体引入富氧产品储罐3，将第二级吸附单元解吸的气体先与第一级吸附单元均压，然后再将其后解吸的气体收集于产品氧气储罐4中。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是用于制取高浓度氧气的设备流程图，Z1、Z2为装填沸石分子筛的第一级吸附单元1，C1、C2为装填碳分子筛的第二级吸附单元2，F为富氧产品储罐3，P为产品氧气储罐4，R为水分离塔5，A为无油空气压缩机6，W为排空废气，V11～V19、V0、V21～V27为截止阀，D1、D2为单向阀。空气经过无油空压机A，进入水分离塔R，在塔内装有不锈钢波纹板填料或不锈钢丝网或者金属挡板，目的在于将压缩空气中的液态水分除去，分离出的液态水从塔底排入到环境中。除去水分的干空气被送入第一级吸附塔Z1、Z2，由塔顶产生的富氧气体随后进入第二级吸附塔C1、C2，第一级吸附塔内的废气W被排空至环境空气中，从C1、C2塔顶产生的富氧气体进入富氧气体储罐F，而解吸出的产品气被送入产品氧储罐P。

整个PSA制高浓度氧流程为两级吸附，周期为60s，共分8个步骤，如图2A～图2G所示，下面参照图2A～图2G详细介绍每一操作步骤：步骤1：16s

第一级吸附单元：阀V11，V14，V15开启；阀V12，V13，V16，V17，V18，V19关闭。第二级吸附单元：阀V21，V25开启；阀V0，V22，V23，V26，V27关闭。用无油空压机A将空气加压至0.5MPa；将加压后的空气通过阀V11引入吸附塔Z1并进行加压，在Z1的塔底装填有氧化铝干燥剂，其上装填有沸石分子筛；空气中的氮气被吸附，含富氧近95％的气体从Z1塔塔顶引出，通过阀V15、单向阀D1、阀V21，进入到装有碳分子筛的吸附塔C1中；另一吸附塔Z2中的气体，富含氮气，经过阀V14从塔底排空至环境空气中；C1塔中未被吸附的含有氮气和氩气的富氧气体经过阀V25被引入富氧气储罐F。步骤2：4s

第一级吸附单元：阀V11，V14，V19开启；阀V12，V13，V15，V16，V17，V18，关闭。第二级吸附单元：阀V27开启；阀V0，V21，V22，V23，V24，V25，V26，V27关闭。无油空压机A继续经过阀V11给第一级吸附单元的Z1塔供气，用从Z1塔顶出来的气体作为淋洗气经过阀V19对吸附塔Z2进行淋洗，使72塔得以再生；另一方面，第二级吸附单元的塔C1的塔顶经过阀V27与塔C2的塔顶相连，进行均压，将塔C1中含氧浓度较低的气体解吸至塔C2中。步骤3：4s

第一级吸附单元：阀V11，V16开启；阀V12，V13，V14，V15，V17，V18，V19关闭。第二级吸附单元：阀V22开启；阀V0，V21，V23，V24，V25，V26，V27关闭。无油空压机A继续经过阀V11给第一级吸附单元的Z1塔供气；由第二级吸附塔C1塔底解吸的气体经过阀V22、单向阀D2、阀V16进入第一级吸附塔Z2的塔顶，对其进行充压，目的使塔C1中解吸出的含氧浓度较高的气体进行再循环使用，提高第一级吸附单元的产氧浓度。步骤4：6s

第一级吸附单元：阀V17开启；阀V11，V12，V13，V14，V15，V16，，V18，V19关闭。第二级吸附单元：阀V0，V22开启；阀V21，V23，V24，V25，V26，V27关闭。由第一级吸附塔Z1塔顶经过阀V17给吸附塔Z2塔底反向充压，将Z1中含氧浓度较高的气体再循环使用；由第二级吸附塔C1解吸出的高浓度的氧气经过阀V22、单向阀D2、阀V0进入产品氧储罐P，供使用。步骤5：16s

第一级吸附单元：阀V12，V13，V16开启；阀V11，V14，V15，V17，V18，V19关闭。第二级吸附单元：阀V23，V26开启；阀V0，V21，V22，V25，V27关闭。用无油空压机A将空气加压至0.5MPa；将加压后的空气通过阀V12引入吸附塔Z2并进行加压，在Z2的塔底装填有氧化铝干燥剂，其上装填有沸石分子筛；空气中的氮气被吸附，含富氧近95％的气体从Z2塔塔顶引出，通过阀V16、单向阀D1、阀V23，进入到装有碳分子筛的吸附塔C2中；另一吸附塔Z1中的气体，富含氮气，经过阀V12从塔底排空至环境空气中；C2塔中未被吸附的含有氮气和氩气的富氧气体经过阀V26被引入富氧气储罐F。步骤6：4s

第一级吸附单元：阀V12，V13，V19开启；阀V11，V14，V15，V16，V17，V18，关闭。第二级吸附单元：阀V27开启；阀V0，V21，V22，V23，V24，V25，V26，V27关闭。无油空压机A继续经过阀V12给第一级吸附单元的Z2塔供气，用从Z2塔顶出来的气体作为淋洗气经过阀V19对吸附塔Z1进行淋洗，使Z1塔得以再生；另一方面，第二级吸附单元的塔C2的塔顶经过阀V27与塔C1的塔顶相连，进行均压，将塔C2中含氧浓度较低的气体解吸至塔C1中。步骤7：4s

第一级吸附单元：阀V13，V15开启；阀V11，V12，V14，V16，V17，V18，V19关闭。第二级吸附单元：阀V24开启；阀V0，V21，V22，V23，V25，V26，V27关闭。无油空压机A继续经过阀V11给第一级吸附单元的Z2塔供气；由第二级吸附塔C2塔底解吸的气体经过阀V24、单向阀D2、阀V15进入第一级吸附塔Z1的塔顶，对其进行充压，目的使塔C1中解吸出的含氧浓度较高的气体进行再循环使用，提高第一级吸附单元的产氧浓度。步骤8：6s

第一级吸附单元：阀V18开启；阀V11，V12，V13，V14，V15，V16。V17，V19关闭。第二级吸附单元：阀V0，V24开启；阀V21，V22，V23，V25，V26，V27关闭。由第一级吸附塔Z2塔顶经过阀V18给吸附塔Z1塔底反向充压，将Z2中含氧浓度较高的气体再循环使用；由第二级吸附塔C2解吸出的高浓度的氧气经过阀V24、单向阀D2、阀V0进入产品氧储罐P，供使用。

附图说明：

图1是用于制取高浓度氧气的设备流程图。

图2A至图2H是各个具体实施步骤的流程示意图。

具体实施方式：

在图1所示的第一级吸附单元中，在每个吸附塔中装填氧化铝0.5kg，其上装填美国UOP公司生产的5AMg型沸石分子筛3.5kg，在第二级吸附单元中每个吸附塔只装填了浙江长兴化工厂厂生产的CMS-IV型碳分子筛1.9kg。依照图2所示的操作步骤，以每个周期60s循环进行PSA操作，无油空压机向第一、二级吸附单元供气，使得两个吸附单元的吸附压力分别为0.42MPa和0.4MPa，第一级吸附单元的排空压力为0.25MPa，第二级吸附单元的出氧压力为0.08MPa，结果如下，

原料空气进气量： 50L/min

富氧气体产量： 2L/min

富氧气体浓度： 89.0％

产品氧气产量： 1.5L/min

产品氧气浓度： 98.4％

氧气产品收率： 15％

根据本发明的方法，可以以较低的成本，利用较简单的吸附装置，由空气中通过PSA法有效地获得浓度达98.4％或更高的氧气。

Claims

1.一种用变压吸附法由空气生产高浓度氧气的方法，将装填有沸石分子筛的第一级吸附单元(1)，包括两个吸附塔(Z1)和(Z2)，与装填有碳分子筛的第二级吸附单元(2)，包括两个吸附塔(C1)和(C2)串联起来，将经过干燥的空气依次通过两级吸附单元，其特征在于，将第一级吸附单元未吸附的气体引入第二级吸附单元，将第一级吸附单元解吸的气体排入大气，将第二级吸附单元未吸附的气体引入富氧产品储罐(3)，将第二级吸附单元解吸的气体先与第一级吸附单元均压，然后再将其后解吸的气体收集于产品氧气储罐(4)中。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，空气中的大部分水分在分离塔(5)中被除去，分离塔中装有不锈钢波纹板填料或不锈钢丝网或者金属挡板，目的在于将压缩空气中的液态水分除去；在第一级吸附塔的底部，装填有干燥剂，以吸附压缩空气中的气态水分，并通过减压解吸出来，排入大气中。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，装填有碳分子筛的第二级吸附单元的已完成吸附的吸附塔的塔底与装填有沸石分子筛的第一级吸附单元的已完成解吸的吸附塔的塔顶相连，使第二级吸附单元的吸附塔得到解吸；将已完成与第一级吸附塔均压的第二级吸附塔的塔底与产品氧气储罐相连，使第二级吸附塔得到进一步解吸，同时将高浓度的产品氧气送入氧气储罐使用；通过将已完成吸附的第一级吸附塔的塔顶与已完成与第二级吸附塔均压的吸附塔的塔底相连进行均压；装填有碳分子筛的第二级吸附单元由两个吸附塔组成，通过将已完成吸附过程的吸附塔的塔顶与已完成解吸过程的吸附塔的塔顶相连进行均压；从第二级吸附塔塔顶产生的含氩气的富氧气，被送入富氧气储罐，作为副产品使用。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，整个制氧流程仅使用一台无油空压机(6)，未使用其它动力设备如真空泵或者加压泵等。