CN1105592C - 变压吸附法回收热量 - Google Patents

Abstract

变压吸附系统中产生的废热经过有效地收集，用来预热通到进给气体鼓风机以便压缩到所要求的吸附压力级的进给气体，从而提高了系统的能量利用率和总效能。

Description

变压吸附法回收热量

本发明涉及分离气体时用的变压吸附法(pressure swing adsor-ption)。更具体地说，本发明涉及废热在变压吸附处理过程中的回收和利用。

变压吸附(PSA)法是分离和提纯气体，例如用空气分离法生产氧气和氮气时值得采用的方法。PSA法包括下列过程：(1)在较高的吸附压力下有选择地吸附进给气体混合物中较易吸附的组分；(2)在较低的脱附压力下脱附较易吸附的组分；(3)从较低的脱附压力再升压到较高的吸附压力。这种处理过程及其调节是在PSA系统中进行的。PSA系统通常有一个或多个吸附剂层，层上装有吸附剂材料，能有选择地从进给气体混合物不太容易吸附的组分吸附其中更容易吸附的组分。处理过程是在每一个层中在与系统中其它各层处理程序的执行相互联系的循环生产基础下进行的。市面上出售的各种各样的吸附剂材料都适宜在PSA处理过程中使用。适合这类用途的吸附剂材料有沸石分子筛材料，例如沸石5A和13X材料，这类吸附剂材料能从进给空气中有选择地吸附氮。

在PSA系统的处理过程中，吸附时放热，脱附时吸附剂材料吸收热量。因此，吸附剂层的温度在吸附工序中必然升高，在脱附工序中必然下降。在一般的PSA处理过程中，例如在从空气制氧和/或氮的过程中，气体在吸附过程中的前向流量超过在脱附过程中的反向流量。因此，热量有一前向净流量，这必然降低PSA系统中使用的吸附剂层的平均温度。

PSA法，特别是那些采用先进吸附剂的PSA法，对吸附温度非常敏感。这里所说的先进吸附剂是指那些对进给气体可吸附的选择性较高的组分吸附能力强的吸附剂，例如LiX、CaX或其它由钠沸石离子交换制取的沸石。PSA法，包括采用低于大气压的脱附压力的真空变压吸附(VPSA)法在内，看来在吸附剂层内处于特定温度下时处理效果最好。现场数据表明，若没有好好控制这个最佳温度，则效果的变化可能会超过10％。值得注意的是，采用先进吸附剂的VPSA系统，其所使用的压力比较传统的PSA系统低。这样，进给空气机(即压缩机)因压缩热而产生的热量就较小。这使进给气体的温度和由此得出的吸附剂温度基本上随环境条件的变化而变化。由于先进的吸附剂为达到所要求的性能而要求一定的温度，因而寻求不靠进给空气机而能有效地将热加到吸附剂的方法，往往就变得很重要了。

由于供气温度与环境温度有关，因而光靠压缩机压缩空气所产生的热并不总是足以使吸附剂层达到所要求的温度级。在暖和的环境条件下，吸附剂层自然而然达到充分的温度级，这时进给空气机的压缩热在进给气流中产生的热量。会足以将吸附剂加热到环境温度以上，从而达到所要求的温度级。然而，在压缩热不足以产生这么大的热量时，为了提高吸附剂的温度和使系统达到最佳效能，就必须寻求加热吸附剂或进给空气或其它进给气体的方法。在这方面，应该指出的是，暖和和寒冷的环境温度条件与特定的温度无关。当进给空气机的压缩热产生足以使吸附剂层达到最理想温度的热量时，就存在这里所需要的暖和条件；另一方面，当处在寒冷条件时，为达到最佳的处理温度，就需要给VPSA或其它PSA系统加热。

这之前，人们总是试图加热工作温度低于最佳条件下的温度的吸附剂层。虽然进给空气的压缩热是值得采用的热源，但所产生的这些热量并不能令人满意地提高吸附剂层的温度。有人提出过在吸附剂层的入口设一个对流式的热交换器，这种热交换器还用来增进热流的分布。还有人提出利用反应所产生的暖和气态产物，将其热量直接传送到吸附剂层。

然而，之前本技术领域仍然需要有一个控制吸附剂温度以提高PSA/VPSA效能的改进方法。具体地说，需要有一个装置，它在控制吸附剂的温度同时又提高整个系统能量的利用率。

因此，本发明的目的是提供一种改进的方法和系统，以控制PSA/VPSA空气中或其它气体分离处理过程中吸附剂的温度。

本发明的另一个目的是提供一种改进的方法和系统，以提高在所要求的吸附剂层温度条件下运行的PSA/VPSA系统的能量利用率。

在上述和其它目的的基础上，下面详细说明本发明的内容。

本发明涉及的一种变压吸附法，用以在一个吸附系统中分离出含较易吸附组分和较难吸附组分的进给气体中的较易吸附组分，所述吸附系统有至少一个装有能选择地吸附所述较易吸附组分的吸附剂层，所述变压吸附法有一套在各吸附剂层循环进行的处理程序，它包括：(1)在较高的吸附压力下将进给气体混合物通入吸附剂层的进料端，从吸附剂层的别一端抽出较难吸附的组分；(2)将吸附剂层的压力降低到较低的脱附压力，同时从吸附剂层的进料端排出较易吸附的组分；(3)将吸附剂层的压力再提高到所述较高的吸附压力，同时将进给气体混合物在程序(1)中通入吸附剂层之前在进给气体压缩机中压缩到所述较高的吸附压力，而且被所产生的压缩热加热，所述改进措施包括下述两个方面：(a)收集吸附系统中产生的热量或一部分热量；(b)利用收集到的废热预热通到所述进给气体压缩机的进给气体混合物，这时以较高的吸附压力通入吸附剂层的进给气体混合物则已由所述收集到的废热和所述压缩热预热过；这样就提高了处理过程能量的利用率，而且这种废热回收能达到的温度高于在较低环境温度下只压缩进给气体混合物时所能达到的温度；

将从吸附剂层的另一端抽出的较难吸附组分压缩到更高的压力级，然后从吸附系统加以回收，且包括下列工序：(a)将进一步压缩过的较难吸附组分气体通到一个热交换器中，以便将进一步压缩该组分气体所产生的压缩热传给冷却液；(b)将如此加热过的冷却液通入一个预热器中，以便将所述压缩热传给进给气体混合物，然后将所述进给气体混合物通入所述进给气体压缩机中。

它还包括这样的工序：将一部分如此加热过的冷却流体转移到所述预热器附近，以调节从如此加热过的冷却流体传给所述进给气体混合物的热量；

所述较低的脱附压力低于大气压；

它还包括下列工序：通过一个处理用的鼓风机抽取较易吸附的组分；从所述较难吸附的组分分离出暖排水，并将所述暖排水通入一个预热器，以便将其中的废热传给其中的进给气体混合物，然后将所述进给气体混合物通入所述进给气体压缩机中；

它还包括下列工序：将整个吸附系统或系统的一部分安置在一个密闭建筑物中，以便从系统的各组成部分收集热量用来预热通入进给气体压缩机之前的进给气体混合物；

它还包括下列工序：用生产过程用的鼓风机抽取低于大气压的较易吸附组分；从所述较易吸附组分分离出暖排水，并将所述暖排水通入所述密闭建筑物中的一个收集槽，用所述暖排水辐射出的废热加热通到所述进给气体压缩机的所述进给气体混合物；

它还包括下列工序：用所述密闭建筑物入口处一个过滤器抽取进给气体混合物；

所述进给气体混合物由空气组成；

在所述密闭建筑物内在处理循环中排放压缩机空转期间放出的进给空气；

将所述暖排水通入安置在所述密闭建筑物内的热交换装置，以便从所述暖排水回收废热将其排到密闭建筑物内的大气中。

本发明涉及的一种变压吸附系统，用以从含有较易吸附组分和较难吸附组分的进给气体混合物中分离出所述较易吸附组分，所述吸附系统有至少一个装有能选择吸附所述较易吸附组分的吸附剂的吸附剂层，所述吸附系统适宜在各层中循环进行处理程序，该程序包括：(1)在较高的吸附压力下将进给气体混合物通入吸附剂层的进料端，并从吸附剂层的另一端抽出较难吸附的组分；(2)将吸附剂层的压力降低到较低的脱附压力，同时从吸附剂层的进料端放出较易吸附的组分；(3)将吸附剂层的压力再提高到所述较高的吸附压力，同时用构成整个吸附系统的一部分的一个进给气体压缩机将工序(1)过程中通入吸附剂床之前的所述进给气体混合物气压缩到所述较高的吸附压力；改进措施包括增设了下列装置：(a)机械装置，用以收集吸附系统中产生的废热；和(b)预热装置，用以利用所收集的废热预热通到进给气体压缩机的进给气体混合物；这样，吸附系统有效利用了其中产生的废热来预热通到所述进给气体压缩机的进给气体混合物，从而提高了所述吸附系统的能量利用率和总效能。

它包括(a)压缩装置，用以提高所述较易吸附的组分在其从吸附系统回收之前的压力级；(b)热交换器，用以将所述压缩装置产生的压缩热传到冷却流体中；和(c)预热装置，用以将所述压缩热从冷却流体传到通入进给气体压缩机之前的所述进给气体混合物。

它还有一个控制装置用以将一部分冷却流体引到所述预热器周围，从而调节在所述预热装置中传送到进给气体混合物的热量。

所述系统适宜在低于大气压的压力下工作，且包括下列各组成部分；(a)处理用的鼓风机，用以从吸附剂层抽取较易吸附的组分；(b)分离装置，用以将较易吸附的组分与伴随生成的暖排水分离开来；和(c)预热装置，用以将暖排水的废热传给进给气体压缩机上游的进给气体混合物；

它还包括一个密闭建筑物，建筑物内装有整个吸附系统或系统的一部分，从而从系统的各组成部分收集热量用来预热进给气体压缩机上游的进给气体混合物；

所述系统适宜在低于大气压的脱附压力下工作，且包括下列组成部分：(a)处理用的鼓风机，用以从吸附剂层抽取较易吸附的组分；(b)分离装置，用以将较易吸附的组分与伴随而生的暖排水分离开来，和(c)一个收集槽，安置在所述密闭建筑物中，所述收集槽适宜从暖排水回收废热，用回收的废热加热进给气体压缩机上游的进给气体混合物；

它还包括安置在所述密闭建筑物入口处的进给气体混合物过滤器；

它还包括放气装置，用以将进给气体混合物在进给气体压缩机空载期间排放在密闭建筑物内；

它还包括：(a)热交换装置，安置在所述密闭建筑物内，便于废热从暖排水中回收废热到密闭建筑物内；和(b)管道装置，用以将暖排水输送到所述热交换装置。

本发明利用了PSA或VPSA系统自身产生的低级废热来提高系统的效能。在要求将空气或其它气体进行分离过程中原本要浪费掉的这种热量，在这里却能用来提高系统能量的利用率，提高整个系统的效能。

下面参看附图以详细说明本发明的内容。附图中：

图1是本发明一个实施例的原理示意图，其中从产品压缩机或鼓风机回收的废热用来预热通过PSA或VPSA系统进给空气鼓风机的进给空气。

图2是本发明一个实施例的原理示意图，其中利用真空排放分离的排水中的废热来预热通到PSA或VPSA系统进给空气鼓风机的进给空气。

图3是本发明另一个实施例的原理示意图，其中用一个保温的密闭建筑物从PSA或VPSA系统的各部分或一部分回收废热，用这些废热来预热通到PSA或VPSA系统进给空气鼓风机的进给空气。

本发明的目的是通过回收和利用PSA或VPSA空气中或其它气体分离处理过程中原本要浪费掉的废热实现的。这种废热用来预热通到将进给气体传送到PSA或VPSA系统的吸附剂层的进给空气或通过其它进给气体鼓风机的空气或其它进给气体混合物。通过回收利用所述废热，提高空气或其它气体分离处理过程中能量的利用率。此外，提高通到进给气体鼓风机的进给空气或其它气体的温度可提高通到PSA/VPSA系统的压缩进给气体的温度使其高于进给气体在环境温度条件下原本所能达到的温度，从而可以达到吸附剂层所要求的温度条件。因此，本发明的作法提供了在环境温度低的条件下使吸附剂床层达到所要求的温度的有利办法。每当进给气体压缩到所要求的较高吸附压力级的过程中所产生的压缩热不足以获取PSA或VPSA系统最理想处理情况所要求的温度条件时，本发明就能以方便和有效的方式轻易达到所要求的温度条件。

在本发明在附图的图1所示的实施例的实践中，生成的氧气在管路1中从PSA或VPSA系统通到产品氧气压缩机2中压缩到所要求的产品等级。经压缩的氧气通过管路3传送到产品热交换器4，产品氧气从热交换器4出来，在管路5中回收，以便传送到客户的管路或所要求的管路。在所述热交换器4中，产品氧气与通过管路6的冷却剂(以水为宜)进行热交换，自身被冷却下来，回收其压缩热。冷却剂在所述热交换器4中被加热之后，从那里通过管路7通到进给空气热交换器8，在热交换器8中被冷却下来，通过管路9排出，以便再循环流回到产品热交换器4中。作为另一种选择方案，液流9在再循环使用之前也可以通到其它设备，例如其它热交换器或冷却塔等。管路10中的进给空气通入所述预热交换器8中进行预热，然后通过管路11通入进给空气鼓风机12中压缩到所要求的吸附处理水平，再通过管路13通入PSA或VPSA系统中用以分离空气和回收产品氧气。

在图1的实施例中，可以采用一个旁通控制装置以方便控制在预热热交换器8中回收的供加到PSA/VPSA系统的进给空气预热用的废热。例如，可以用装有控制阀15的旁通管路14转移一部分已加热的冷却剂，使其通过管路7通入所述预热热交换器8中。在较暖和的环境条件下，可能需要减少对管路10中进给空气的预热量。这样，接下去在进给空气鼓风机12的压缩过程中，进给空气就可以在所要求的温度下通过管路13，从而在下游的PSA或VPSA系统中达到所要求的温度条件。下面的作法也属于本发明的范围，即在无需通过废热的回收和利用来预热进给空气、光靠进给空气的压缩热就足以在PSA或VPSA空气分离处理过程中达到所要求的温度条件的暖和环境温度条件下，将管路3中的全部或一部分已压缩的氧气产品转移到产品热交换器4周围。

在图1所举实施例的实际应用中，本技术领域的一般技术人员都知道，可以利用从任何产品后冷却器、中间冷却器或其它在产品压缩机、产品升压压缩机或脱附真空鼓风机油冷却装置上的热交换器出来的冷却剂，借助于热交换器，例如上述预热热交换器8来加热进入进给空气鼓风机12之前的进给空气(或其它进给气体)。

这样，进给空气在通入所述进给空气鼓风机12之前通过热交换使进给空气与暖水或其它经加热的冷却剂之间形成最大温差，从而使冷却剂和进给空气或其它进给气体之间达到最高的传热效率。虽然可能会有与经压缩的进给空气的热交换令人满意的特殊情况，但在该情况下所能加的热量可能会比本发明用废热加热进给空气鼓风机入口的作法有所减少。

综上所述，显然一开始就应该决定应用本发明。为此，首先要确定达到所要求的层温时所需要的进给温度。举例说，若VPSA系统的平均进给压力为5psig(磅/平方英寸表压)(即3500千克/米²)，则原料空气压缩到所要求的压力级时压缩热产生的温升约为50°F(27.78℃)。该温升值和本发明的本实例一样，可从鼓风机制造厂家获取，或者按进给空气鼓风机及其电动机的效率假设，从而不难计算出传递到进给空气的能量。知道了该温升值后就可以确定加入系统中使进入PSA/VPSA系统中吸附剂层的进给空气温度合乎要求的入口空气温度。举例说，若用来进行某已知的空气分离所要求的最佳进料温度为100°F(37.78℃)，则在低于50°F(10℃)的环境温度下工作的任何进给空气鼓风机/PSA或VPSA系统需要加热，使处理温度达到所要求的理想情况。通过计算进给空气的质量流过速率，不难确定达到所要求的吸附温度所需要另外增加的热量值。通过有效利用原本要浪费掉的废热，如图1中所示的实施例那样，本发明的作法可以用来使空气或其它气体分离PSA/VPSA处理过程中能量的利用率及过程的效能达到最理想的情况，从而在实际商业气体分离处理过程中提高了得采用PSA技术在整个技术/经济方面的可行性。

在本发明附图2所举的实施例中，采用了真空增压器排放分离器排水处的暖水作为废热回收源来预热压缩到所要求的吸附压力级之前的进给空气或其它进给气体。这种水，包括真空增压器密封水和从空气或气体分离处理中的被脱附组分分离出来的水，可以收集在单独的排水收集槽中。

在图2的实施例中，较容易脱附的组分在从吸附剂中脱附出来后连同来自管路22的所述真空增压器密封水一起，通过管路21通入真空增压器23中。增压器23排出物在较低的脱附压下力通入管路24，通到传统的排放分离器25中，进给气体混合物较易脱附的组分从分离器25通过管路27通入排水收集槽28中。本发明为了回收热量，这种暖和的排水用管路29上的污水泵30泵送入管路29中传送到预热热交换器31中。在所述预热热交换器31中放热时被冷却下来的排水，通过管路32排出。进给空气或其它有待PSA处理加以分离的进给气体通过管路33通入所述预热热交换器31中，在交换器31预热后通过管路34通入进气鼓风机35压缩，然后通过管路36在所要求的较高的吸附压力下通入PSA/VPSA系统。暖和的排水的热函原本是作为PSA处理操作的低级废热浪费掉的。但在本发明的作法中，有利和有效地利用了这种废热，使得在只利用进给气体的压缩热不可能达到所要求的温度级时可以达到所希望达到的PSA温度条件。

为实现本发明的目的，还可以用种种方法从辐射热源收集有用的热量。处理设备，象处理用的鼓风机及其驱动电动机、产品压缩部件、闭环冷却系统设备、工艺管道、设备入口和排放辅助设施和/或任何其它工艺设备都是可回收废热的对流和辐射源。如附图的图3中所示，可以用密闭的建筑物来容纳PSA/VPSA系统的各组成部分或整个系统，从而收集辐射出来的废热，利用这些废热来预热系统入口处的进给空气或其它进给气体。密闭建筑物(这可以是保温的密闭空间)内经收集的热量轻易地加热输进来的进给空气或气体。将入口的过滤器安置在密闭建筑物内可以将从整个系统的密闭部分辐射时收集到的热量直接传给通入进给气体(空气)鼓风机的进给气体(空气)。因此，在图3中，进给空气通入入口管路41中，通到安置于在本实施例中用以容纳VPSA空气分离系统的所有各组成部分的封闭建筑物43内的入口过滤器42中。从入口过滤器42，进给空气通过管路44通入进给空气鼓风机45中。压缩到所要求的吸附压力的空气从鼓风机45中出来，通过装有阀门装置47的管路46通入第一吸附剂床48，或通过装有阀门装置47a的管路46a通入图中所示的双层VPSA系统的第二吸附剂层48a中。装有阀门50的卸料管路49从管路46延伸开，必要时可用来转移进给空气流，将其放气。进给空气中不太容易吸附的组分，即在用沸石分子筛从进给空气中有选择地吸附氮时为氧，在VPSA处理程序的吸附产品回收部分的过程中从层48通入装有阀门51的管路67中，并从床层48a通入装有阀门51a的管路68中。在所举的实施例中，氧气从这个或那个管路通入装有阀门53的管路52中，以便传送到产品氧储缸54中。产品氧从所述储缸中经装有产品氧鼓风装置56的管路55抽出，从密闭建筑物43中排出，输送到氧产品的客户那里，或输送到要求使用VPSA系统的这类氧气产品的地方。不言而喻，根据所示VPSA系统中进行的任何给定VPSA空气分离处理过程中使用的特定处理程序，氧气可以从一个吸附剂层的顶部或产品输出端通过管路67和68传送到另一端，或者来自产品氧储缸54的一部分产品氧可以通过管路52送回这台或那台吸附剂层。

从图中可以看出，气体，例如进给空气中较容易吸附的氮组分，在从吸附料中脱附时，可以经装有阀门58的管路57从层48中抽出，传送到真空增压器59中。较容易吸附的氮同样可经装有阀门58a的管线57a从层48a抽出，传送到管路57和真空增压机59。从所述真空增压器59的排出物通过管路60通入排放分离器61，从分离器61出来的氮气则通过管路62作为废气排出，或供应要求使用氮气的地方。排出的水独立地从排放分离器61经管路63收集在排水收集槽64中。

由于采用密闭建筑物43，因而可以采用其它回收热量的方法，例如，在所述收集槽64中装上一个热交换装置65。举例说，如图中所示，所述热交换装置65可以是叶片式热交换器，这样热量可以从该热交换器辐射出来遍布密闭建筑物43内部，从而可以通过进给空气鼓风机入口的过滤器42抽入。排出的水，在通入所述热交换器65中往所述密闭建筑物43内部放热之后，可轻易于通过管路66抽出，传送到排水管路或要求使用水的地方。本技术领域的一般技术人员不难理解，若达到PSA/VPSA吸附剂层中所要求的最佳温度只需要较小程度的热量回收，则下面的作法也属于本发明的范围，即通过只将系统的一部分，而不是全部，封闭在所述密闭建筑物43中来利用从整个PSA/VPSA系统的只有一部分辐射出来的热量。从排放分离62排除的暖排水回收热量是废热回收方便而求之不得的回收源。在密闭建筑物(最好是绝热的封闭建筑物)中装设所述排水收集槽64，无论用或不用所述叶片式热交换器65或其它这类热交换器，以便于从暖排水中回收废热并提高这种回收的效率，都是回收废热、预热传送到进给空气(气体)鼓风机的进给空气(气体)较理想的方法。

本技术领域的一般技术人员不难理解，在不脱离本发明在本说明书所附权利要求书中所述的范围的前提下是可以就本发明的细节作种种更改和修改的。不言而喻，本发明是不取决于所采用的具体PSA或VPSA的处理程序，或所要进行的是空气分离抑或其它一些气体分离处理，或所采用的具体处理条件，例如所采用的高压力级或低压力级。此外，应用本发明时所收集和利用的废热可以包括上述任何一种低级废热源或其组合或整个吸附系统任何部分中产生的任何其它低级废热。这里所使用的低级废热是PSA/VPSA系统中产生的、通常原本要浪费掉、可以有效收集和利用来预热传送到进给气体压缩机之前的进给气体混合体的任何热源。此外不言而喻，应用本发明时还可以采用其它各种废热源。举例说，当氧气PSA/VPSA系统中的废气流为不能在密闭建筑物中安全放气的富氮气流时，通过适当的热交换可以利用富氮废气流中的废热来加热某种液体，然后再用这种液体给待分离的进给空气提供热源。同样，可从初次起动过程中或产品质量出问题期间排除的氧气管道外的排气流中回收废热。然而，鉴于进给空气是无害的而且还因压缩机在处理循环期间可能出现的空转时间时受压缩而提供一些热量，因而送进去的空气流可以直接在密闭建筑物内放气。

应用本发明时，回收利用来预热进给气体(空气)混合体的废热一般应能将进给气的温度提高至少10°F(约5.6℃)，且通常不超过80°F(约44.4℃)，最一般的范围是20-50°F左右(约11.1-27.8℃)。举例说，在0°F(约-17.8℃)的环境条件下，最好用现有的废热将进给气(空气)的温度提高40-60°F(22.2-33.3℃)左右。在任何情况下，无需加外部热量只利用PSA/VPSA系统本身产生的低级废热来提高入口气体的温度虽然要消耗更多的功来压缩进给气体等，但却意外地提高了整个PSA/VPSA的效能。

因此，从PSA/VPSA系统内的各种热源回收废热，并利用这种废热预热送往进给气体(空气)鼓风机的进给气体(空气)，比起将外部能量加到系统的作法，在处理效能方面是提高了。应用本发明还有这样的好处：为提高吸附剂的传热能力，无需把吸附剂层设计得很复杂，也无需改变处理操作和减小系统中的质量流量。

比较一下给系统加上外部热量的方法就能说明本发明废热回收的经济效益。应该指出的是，VPSA进料鼓风机在环境空气为10°F(-12.22℃)时的出料温度因压缩热而在60°F(15.56℃)左右，即比环境温度高50°F(27.78℃)。为使进给空气达到所要求的100°F(37.78℃)的温度，若将上述热量加到已压缩的进给空气而不加到入口进给空气，则与此有关的处理费用和设备费用的增幅就要加倍。

现有提高PSA系统效能的方法通常都不考虑废热回收，这是因为这种系统所需的投资额高，因而减少基本投资的目的是力图降低系统的总成本。然而，为回收废热，不可避免地必然要花费更多的资金。因此，这种设计上的改进通常都被忽视，这种收集和利用低级废热来预热压缩之前的进给气体混合体的动机历来得不到支持，。然而，我们发现，上述避免PSA效能下降10％的好处大大补偿了这种所需投资额的额外开支。此外，本发明还可通过有效地收集和利用传热潜力比其它热源低的低级废热而享有这种好处。

用这种原本要浪费掉的废热预热入口处的低温进给空气从而最大限度地发挥热交换的作用，以及用密闭建筑物作为可从其中抽取入口空气的散热器，这一切都体现了热量利用中非常可取的好处，由此提高了能量的利用率，而且出乎意料地提高了PSA/VPSA的效能。

本技术领域的一般技术人员不难理解，这里介绍的各种废热回收方法其任何要求的组合都可用来将进给气体(空气)预热到所要求的温度，从而使吸附剂层取得PSA达到最佳效能的理想温度条件。应用本发明时，若采用多个废热回收源，则可以控制它们使之接通或切断由它们组成的所要求的任何组合，从而提供预热进给气体所需要的热量。虽然上面是特别就制氧的PSA空气分离处理进行说明，但不言而喻，本发明也适用于各种其它的气体分离处理，例如从氦或氢中分离出氮，其中氮为气体混合物较易吸附的组分，或从空气分离和回收氮产品，其中氮或氧都可以是进给空气中较易吸附的组分。

可以看出，本发明是收集和利用PSA系统内产生的废热的特别有利的方法。无需从系统外加热量就能很方便地回收废热，并将其有效加以利用，这不仅可以提高PSA法的能量利用率，而且还可以提高PSA系统的总效能。

Claims (20)

1.一种变压吸附法，用以在一个吸附系统中分离出含较易吸附组分和较难吸附组分的进给气体中的较易吸附组分，所述吸附系统有至少一个装有能选择地吸附所述较易吸附组分的吸附剂的吸附剂层，所述变压吸附法有一套在各吸附剂层循环进行的处理程序，它包括：(1)在较高的吸附压力下将进给气体混合物通入吸附剂层的进料端，从吸附剂层的别一端抽出较难吸附的组分；(2)将吸附剂层的压力降低到较低的脱附压力，同时从吸附剂层的进料端排出较易吸附的组分；(3)将吸附剂层的压力再提高到所述较高的吸附压力，同时将进给气体混合物在程序(1)中通入吸附剂层之前在进给气体压缩机中压缩到所述较高的吸附压力，而且被所产生的压缩热加热，在冷的环境温度下所述压缩热不足以达到所需的吸附剂层温度，所述改进措施包括下述两个方面：(a)收集吸附系统中产生的热量或一部分热量；(b)利用收集到的废热预热通到所述进给气体压缩机的进给气体混合物，这时以较高的吸附压力通入吸附剂层的进给气体混合物则已由所述收集到的废热和所述压缩热预热过；这样就提高了处理过程能量的利用率，而且这种废热回收能达到的温度高于在较低环境温度下只压缩进给气体混合物时所能达到的温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将从吸附剂层的另一端抽出的较难吸附组分压缩到更高的压力级，然后从吸附系统加以回收，且包括下列工序：(a)将进一步压缩过的较难吸附组分气体通到一个热交换器中，以便将进一步压缩该组分气体所产生的压缩热传给冷却液；(b)将如此加热过的冷却液通入一个预热器中，以便将所述压缩热传给进给气体混合物，然后将所述进给气体混合物通入所述进给气体压缩机中。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，它还包括这样的工序：将一部分如此加热过的冷却流体转移到所述预热器附近，以调节从如此加热过的冷却流体传给所述进给气体混合物的热量。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述较低的脱附压力低于大气压。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，它还包括下列工序：通过一个处理用的鼓风机抽取较易吸附的组分；从所述较难吸附的组分分离出暖排水，并将所述暖排水通入一个预热器，以便将其中的废热传给其中的进给气体混合物，然后将所述进给气体混合物通入所述进给气体压缩机中。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括下列工序：将整个吸附系统或系统的一部分安置在一个密闭建筑物中，以便从系统的各组成部分收集热量用来预热通入进给气体压缩机之前的进给气体混合物。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它还包括下列工序：用生产过程用的鼓风机抽取低于大气压的较易吸附组分；从所述较易吸附组分分离出暖排水，并将所述暖排水通入所述密闭建筑物中的一个收集槽，用所述暖排水辐射出的废热加热通到所述进给气体压缩机的所述进给气体混合物。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括下列工序：用所述密闭建筑物入口处一个过滤器抽取进给气体混合物。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进给气体混合物由空气组成。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，它还包括，在所述密闭建筑物内在处理循环中排放压缩机空转期间放出的进给空气。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述暖排水通入安置在所述密闭建筑物内的热交换装置，以便从所述暖排水回收废热将其排到密闭建筑物内的大气中。

12.一种变压吸附系统，用以从含有较易吸附组分和较难吸附组分的进给气体混合物中分离出所述较易吸附组分，所述吸附系统有至少一个装有能选择吸附所述较易吸附组分的吸附剂的吸附剂层，所述吸附系统适宜在各层中循环进行处理程序，该程序包括：(1)在较高的吸附压力下将进给气体混合物通入吸附剂层的进料端，并从吸附剂层的另一端抽出较难吸附的组分；(2)将吸附剂层的压力降低到较低的脱附压力，同时从吸附剂层的进料端放出较易吸附的组分；(3)将吸附剂层的压力再提高到所述较高的吸附压力，同时用构成整个吸附系统的一部分的一个进给气体压缩机将工序(1)过程中通入吸附剂层之前的所述进给气体混合物气压缩到所述较高的吸附压力，在冷的环境温度下所述压缩热不足以达到所需的吸附剂层温度；改进措施包括增设了下列装置：(a)机械装置，用以收集吸附系统中产生的废热；和(b)预热装置，用以利用所收集的废热预热通到进给气体压缩机的进给气体混合物；这样，吸附系统有效利用了其中产生的废热来预热通到所述进给气体压缩机的进给气体混合物，从而提高了所述吸附系统的能量利用率和总效能。

13.如权利要求12所述的吸附系统，其特征在于，它包括(a)压缩装置，用以提高所述较易吸附的组分在其从吸附系统回收之前的压力级；(b)热交换器，用以将所述压缩装置产生的压缩热传到冷却流体中；和(c)预热装置，用以将所述压缩热从冷却流体传到通入进给气体压缩机之前的所述进给气体混合物。

14.如权利要求13所述的吸附系统，其特征在于，它还有一个控制装置用以将一部分冷却流体引到所述预热器周围，从而调节在所述预热装置中传送到进给气体混合物的热量。

15.如权利要求12所述的吸附系统，其特征在于，所述系统适宜在低于大气压的压力下工作，且包括下列各组成部分；(a)处理用的鼓风机，用以从吸附剂层抽取较易吸附的组分；(b)分离装置，用以将较易吸附的组分与伴随生成的暖排水分离开来；和(c)预热装置，用以将暖排水的废热传给进给气体压缩机上游的进给气体混合物。

16.如权利要求12所述的吸附系统，其特征在于，它还包括一个密闭建筑物，建筑物内装有整个吸附系统或系统的一部分，从而从系统的各组成部分收集热量用来预热进给气体压缩机上游的进给气体混合物。

17.如权利要求16所述的吸附系统，其特征在于，所述系统适宜在低于大气压的脱附压力下工作，且包括下列组成部分：(a)处理用的鼓风机，用以从吸附剂层抽取较易吸附的组分；(b)分离装置，用以将较易吸附的组分与伴随而生的暖排水分离开来；和(c)一个收集槽，安置在所述密闭建筑物中，所述收集槽适宜从暖排水回收废热，用回收的废热加热进给气体压缩机上游的进给气体混合物。

18.如权利要求17所述的吸附系统，其特征在于，它还包括安置在所述密闭建筑物入口处的进给气体混合物过滤器。

19.如权利要求16所述的吸附系统，其特征在于，它还包括放气装置，用以将进给气体混合物在进给气体压缩机空载期间排放在密闭建筑物内。

20.如权利要求17所述的吸附系统，其特征在于，它还包括：(a)热交换装置，安置在所述密闭建筑物内，便于从暖排水中回收废热到密闭建筑物内；和(b)管道装置，用以将暖排水输送到所述热交换装置。