CN111232937A - 一种多塔循环变压吸附制氮的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于变压吸附制氮相关技术领域，其公开了一种多塔循环变压吸附制氮的装置及方法，主要包括空气源、吸附塔A、吸附塔B、吸附塔C、吸附塔D、氮气源、阀门、管路、电气控制单元。所述每个吸附塔包括以下步骤，依次为：吸附、降压、逆放、冲洗、等待一、均升、等待二、回放和升压9个动作。本发明通过两个吸附塔之间错时并联吸附，另两个吸附塔之间进行均压和冲洗，通过所述电气控制单元控制所述阀门开关，通过所述管道连通气体实现四塔循环切换。本发明一方面能对高纯度氮气及压力进行回收，另一方面可以保持吸附塔内氮气分布进行保留提高制氮产品纯度稳定性，提升产气率，降低空气处理量，增长吸附剂使用寿命，降低制氮成本。
Description
技术领域
本发明属于变压吸附制氮相关技术领域，更具体地，涉及一种多塔循环变压吸附制氮的装置及方法。
背景技术
目前，常规变压吸附制氮设备为双塔并联，切换使用，设备以空气为原料，碳分子筛为吸附剂，利用氧气和氮气穿透碳分子筛床层的速度差异进行分离提纯氮气，而由于速度差异较小，大产量制氮变压吸附设备存在单塔直径大，造成塔板厚度增加，成本上升，现场布置困难等问题。
为解决以上问题，在工艺流程中有以下几种解决思路及其存在问题：
一、双套台或多台常规变压吸附制氮设备并联使用，存在问题是产氮率不高，切换时产品纯度波动大；
二、双塔加辅助塔或缓冲罐工艺，存在问题是吸附塔或设备有效利用率不高，切换时产品纯度波动大；
三、多塔变压吸附工艺，多种具有节能和高效的工艺流程具有产品纯度稳定等特点，但普遍存在吸附塔或设备有效利用率不高的问题，大部分低于两台吸附两台再生的50％利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能够实现吸附塔或设备有效利用率等于或超过50％且高效制氮的变压吸附制氮的装置，装置生产的经济性高，单元稳定性高，便于操作，制氮产品纯度稳定性，提升产气率，降低空气处理量，增长吸附剂使用寿命，降低制氮成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多塔循环变压吸附制氮的装置，包括空气源、n+2个吸附塔、氮气源、阀门、管路以及电气控制单元，n≥2；
所述阀门包括与所述n+2个吸附塔一一对应的n+2个吸附塔进气阀、n+2个吸附塔出气阀、n+2个吸附塔泄放阀以及n+2个吸附塔均压阀；
所述管路包括：空气总管、氮气总管、排放总管、均压总管；
各所述吸附塔的两端分别通过对应的吸附塔进气阀和吸附塔出气阀连接所述空气总管和氮气总管；吸附塔进气阀连接空气总管，吸附塔出气阀连接氮气总管；空气总管由空气源供气，氮气总管由氮气源供气；
同时，各所述吸附塔的两端还分别通过对应的吸附塔泄放阀和吸附塔均压阀连接所述排放总管和均压总管；吸附塔泄放阀连接排放总管，吸附塔均压阀连接均压总管；同一吸附塔对应的吸附塔进气阀和吸附塔泄放阀连接该吸附塔的进气口，同一吸附塔对应的吸附塔出气阀和吸附塔均压阀连接该吸附塔的出气口；
在电气控制单元的控制下，各吸附塔均按照动作1～9的编号顺序执行，动作1～9及其执行顺序如下：
1)吸附，所述吸附为引入空气排放高纯度氮气的恒压过程；
2)降压，所述降压为通过阀门管道排放高纯度氮气和排放低纯度氮气的压力下降过程；
3)逆放，所述逆放为通过阀门管道排放低纯度氮气的压力下降过程；
4)冲洗，所述冲洗为通过阀门管道引入高纯度氮气排放低纯度氮气的恒压过程；
5)等待一，所述等待为无气体进排的恒压过程；
6)均升，所述均升是各吸附塔在作为降压吸附塔时排放高纯度氮气回收的压力上升过程；
7)等待二，所述等待为无气体进排的恒压过程；
8)回放，所述回放为均升后排放高纯度氮气的压力下降过程；
9)升压，所述升压为引入处理空气和高纯度氮气的压力上升过程；
其中，所有吸附塔启动吸附动作的时间按照预设的时间间隔依序错开，并且，在任意连续的n个吸附塔进行吸附动作时，其余2个吸附塔作为均压塔执行均升和/或回放动作。
进一步地，吸附的时间与降压、逆放、冲洗、等待一、均升、等待二、回放和升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与均升、等待二、回放、升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与吸附时间的一半时间相等。
进一步地，各个吸附塔的吸附动作时序重叠呈阶梯状排列。
进一步地，所述n+2个吸附塔两端分别通过对应的吸附塔进气阀和吸附塔出气阀并联于所述空气总管和氮气总管之间；同时，所述n+2个吸附塔两端分别通过对应的吸附塔泄放阀和吸附塔均压阀并联于所述排放总管和均压总管之间。
进一步地，所述电气控制单元还包括时间程序控制器，用于控制各个吸附塔执行动作1～9的时间；所述的n+2个吸附塔各自对应连接的管路中还设置有压力测点和/或温度测点。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种利用所述的装置进行多塔循环变压吸附制氮的方法。
进一步地，在该方法中，吸附的时间与降压、逆放、冲洗、等待一、均升、等待二、回放和升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与均升、等待二、回放、升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与吸附时间的一半时间相等。
进一步地，在该方法中，各个吸附塔的吸附动作时序重叠呈阶梯状排列。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过合理的多塔联合动作设计，能够实现n塔吸附、两塔均压的n+2型多塔循环变压吸附制氮，从而提高产氮率，降低切换时产品纯度波动，并且将吸附塔的有效利用率提高到50％以上。
2、目前，常规双塔变压吸附设备适用于10.0bar(a)以下，少数新型或节能型适用于14.0bar(a)甚至20.0bar(a)以上，而本发明的装置适用于全压力范围，经济工作压力为8.0bar(a)到20.0bar(a)，具备高效的制氮效率和设备投资效益。
3、本发明一方面能对高纯度氮气及压力进行回收，另一方面可以保持吸附塔内氮气分布进行保留提高制氮产品纯度稳定性，提升产气率，降低空气处理量，增长吸附剂使用寿命，降低制氮成本。
附图说明
图1是本发明优选实施例的四塔循环变压吸附制氮装置结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-吸附塔A；2-吸附塔B；3-吸附塔C；4-吸附塔D；5-空气源；6-氮气源；7-消声器；8-空气总管；9-氮气总管；10-排放总管；11-均压总管；12-吸附塔A进气阀；13-吸附塔A出气阀；14-吸附塔A泄放阀；15-吸附塔A均压阀；16-吸附塔B进气阀；17-吸附塔B出气阀；18-吸附塔B泄放阀；19-吸附塔B均压阀；20-吸附塔C进气阀；21-吸附塔C出气阀；22-吸附塔C泄放阀；23-吸附塔C均压阀；24-吸附塔D进气阀；25-吸附塔D出气阀；26-吸附塔D泄放阀；27-吸附塔D均压阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：
如图1所示，本发明的优选实施例为一种四塔循环变压吸附制氮的装置(即取n＝2)，主要包括吸附塔A 1、吸附塔B 2、吸附塔C 3、吸附塔D 4、空气源5(本实施例为空气储罐)、氮气源6(本实施例为氮气储罐)、消声器7、空气总管8、氮气总管9、排放总管10、均压总管11、吸附塔A进气阀12、吸附塔A出气阀13、吸附塔A泄放阀14、吸附塔A均压阀15、吸附塔B进气阀16、吸附塔B出气阀17、吸附塔B泄放阀18、吸附塔B均压阀19、吸附塔C进气阀20、吸附塔C出气阀21、吸附塔C泄放阀22、吸附塔C均压阀23、吸附塔D进气阀24、吸附塔D出气阀25、吸附塔D泄放阀26、吸附塔D均压阀27。
所述空气源5对压缩空气进行深度干燥及除油后，压缩空气进空气总管8,分别经过吸附塔A进气阀12和吸附塔B进气阀16进入吸附塔A 1和吸附塔B 2或分别经过吸附塔B进气阀16和吸附塔C进气阀20进入吸附塔B 2和吸附塔C 3或分别经过吸附塔C进气阀20和吸附塔D进气阀24进入吸附塔C 3和吸附塔D 4或分别经过吸附塔D进气阀24和吸附塔A进气阀12进入吸附塔D 4和吸附塔A1，氧气被吸附，产品氮气从所述吸附塔A 1和吸附塔B 2富集分别经过吸附塔A出气阀13和吸附塔B出气阀17进入氮气总管9或从所述吸附塔B 2和吸附塔C3富集分别经过吸附塔B出气阀17和吸附塔C出气阀21进入氮气总管9或从所述吸附塔C 3和吸附塔D 4富集分别经过吸附塔C出气阀21和吸附塔D出气阀25进入氮气总管9或从所述吸附塔D 4和吸附塔A 1富集分别经过吸附塔D出气阀25和吸附塔A出气阀13进入氮气总管9，富集压缩氮气进入氮气源6。
所述吸附塔A 1、吸附塔B 2、吸附塔C 3、吸附塔D 4循环进行吸附，部分吸附时间重叠呈阶梯状排列。
本发明主要设备包括空气源5、吸附塔A 1、吸附塔B 2、吸附塔C 3、吸附塔D 4、氮气源6、消声器7。所述每个吸附塔包括以下步骤，依次为：1-吸附、2-降压、3-逆放、4-冲洗、5-等待一、6-均升、7-等待二、8-回放和9-升压。
1)所述吸附，为吸附塔A 1和吸附塔B 2或吸附塔B 2和吸附塔C 3或吸附塔C 3和吸附塔D 4或吸附塔D 4和吸附塔A 1的两塔并联吸附工作，压缩空气进入吸附塔,经过吸附塔内装吸附剂层,氧气被吸附滞留，氮气穿透吸附层逸出,氮气富集程度即压缩氮气浓度达到产品要求,离开吸附塔设备，吸附塔内压力恒定不变。
2)所述降压，吸附塔吸附饱和后的吸附塔A 1或吸附塔B 2或吸附塔C 3或吸附塔D4通过吸附塔A泄放阀14或吸附塔B泄放阀18或吸附塔C泄放阀22或吸附塔D泄放阀26进入排放总管10,同时,通过吸附塔A均压阀15或吸附塔B均压阀19或吸附塔C均压阀23或吸附塔D均压阀27进入均压总管11,均压进冲洗后的吸附塔A 1或吸附塔B 2或吸附塔C 3或吸附塔D4，所述吸附饱和后的带压吸附塔的塔内压力降低，经均压总管11的气体为高纯度氮气,冲洗后的吸附塔A 1或吸附塔B 2或吸附塔C 3或吸附塔D 4进行均升，经排放总管10排放的低纯度氮气富含较大气环境氧含量更高的气体，排放至大气环境，吸附塔压力下降。
2)所述逆放，为所述降压过程停止经均压总管11的气体排放，只经排放总管10排放的低纯度氮气富含较大气环境氧含量更高的气体，排放至大气环境，吸附塔压力下降。
4)所述冲洗，为所述逆放后，吸附塔压力降低至常压，利用所述降压过程被均升的吸附塔内气体经均压总管11排放进常压吸附塔后，经排放总管10排放至大气环境，置换吸附塔内气体，降低吸附塔内氧含量，提升吸附塔吸附氧制氮能力，吸附塔压力恒定不变。
5)所述等待一，为静止不变，前后阀门关闭，等待回放后的吸附塔被处理空气及产品氮气升压切换吸附和吸附饱和后的吸附塔切换进入降压过程。
6)所述均升，为所述降压的吸附塔A 1或吸附塔B 2或吸附塔C 3或吸附塔D 4通过均压总管11排放的高纯度氮气回收升压，吸附塔压力上升。
7)所述等待二，为静止不变，前后阀门关闭，等待所述逆放吸附塔完成压力泄放。
8)所述回放，为所述冲洗的吸附塔提供冲洗用的高纯度氮气，高纯度氮气经均压总管11排放进需要冲洗的吸附塔后，经排放总管10排放为均升后排放至大气环境，吸附塔压力不变，吸附塔内氧含量降低。
9)所述升压，为所述回放后吸附塔经空气总管8引入空气，同时，经氮气总管引入氮气，吸附塔内压力升高至与吸附压力相同。
具体地，在本发明的优选实施例中，四个吸附塔按照如下工作顺序进行变压吸附制氮：
所述吸附塔A1开始吸附一定时间后，吸附塔B2开始吸附动作，吸附塔D4开始所述降压动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔C3，吸附塔C3开始所述均升动作通过阀门、管道排放低纯度氮气进入环境大气,吸附塔D4开始所述逆放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔C3开始所述等待一动作,吸附塔C3开始所述回放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔D4，吸附塔D4开始所述冲洗动作通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔C3开始所述升压动作通过阀门、管道引入处理空气和高纯度氮气，吸附塔D4开始所述等待二动作。
所述吸附塔B2继续所述吸附动作，所述吸附塔C3开始吸附动作，吸附塔A1开始所述降压动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔D4，吸附塔D4开始所述均升动作通过阀门、管道排放低纯度氮气进入环境大气,吸附塔A1开始所述逆放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔A1开始所述等待一动作,吸附塔D4开始所述回放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔A1，吸附塔A1开始所述冲洗动作通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔D4开始所述升压动作通过阀门、管道引入处理空气和高纯度氮气，吸附塔A1开始所述等待二动作。
所述吸附塔C3继续所述吸附动作，所述吸附塔D4开始吸附动作，吸附塔B2开始所述降压动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔A1，吸附塔A1开始所述均升动作通过阀门、管道排放低纯度氮气进入环境大气,吸附塔B2开始所述逆放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔B2开始所述等待一动作,吸附塔A1开始所述回放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔B2，吸附塔B2开始所述冲洗动作通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔A1开始所述升压动作通过阀门、管道引入处理空气和高纯度氮气，吸附塔B2开始所述等待二动作。
所述吸附塔D4继续所述吸附动作，所述吸附塔A1开始吸附动作，吸附塔C3开始所述降压动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔B2，吸附塔B2开始所述均升动作通过阀门、管道排放低纯度氮气进入环境大气,吸附塔C3开始所述逆放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔C3开始所述等待一动作,吸附塔B2开始所述回放动作，通过阀门、管道排放高纯度氮气进入吸附塔C3，吸附塔C3开始所述冲洗动作通过阀门、管道排放高纯度氮气进入环境大气，吸附塔B2开始所述升压动作通过阀门、管道引入处理空气和高纯度氮气，吸附塔C3开始所述等待二动作。
所述吸附塔A1继续所述吸附动作，所述吸附塔B2开始吸附动作，吸附塔C3与吸附塔D4动作重复以上循环开始步骤。
为了更为直观地展示本实施例中的动作时序及工作状态，所述的部分吸附时间重叠呈阶梯状排列，工艺流程时序及阶段阀门开关状态表如下：
工艺流程时序及阶段阀门开关状态表
注：“O”代表阀门开，“X”代表阀门关。
在其他实施例中，还可以取n大于2，即n塔吸附两塔均压，例如n＝3时三塔吸附两塔均压的五塔循环，n＝4时四塔吸附两塔均压的六塔循环，只需要满足在时序上连续的n个吸附塔吸附时，剩余2个吸附塔充当均压塔即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，例如本发明所述工艺流程的组合及串联、并联、三塔吸附两塔均压的五塔循环、四塔吸附两塔均压的六塔循环、n塔吸附两塔均压的(n+2)塔循环等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多塔循环变压吸附制氮的装置，其特征在于：包括空气源(5)、n+2个吸附塔、氮气源(6)、阀门、管路以及电气控制单元，n≥2；
所述阀门包括与所述n+2个吸附塔一一对应的n+2个吸附塔进气阀、n+2个吸附塔出气阀、n+2个吸附塔泄放阀以及n+2个吸附塔均压阀；
所述管路包括：空气总管(8)、氮气总管(9)、排放总管(10)、均压总管(11)；
各所述吸附塔的两端分别通过对应的吸附塔进气阀和吸附塔出气阀连接所述空气总管(8)和氮气总管(9)；吸附塔进气阀连接空气总管(8)，吸附塔出气阀连接氮气总管(9)；空气总管(8)由空气源(5)供气，氮气总管(9)由氮气源(6)供气；
同时，各所述吸附塔的两端还分别通过对应的吸附塔泄放阀和吸附塔均压阀连接所述排放总管(10)和均压总管(11)；吸附塔泄放阀连接排放总管(10)，吸附塔均压阀连接均压总管(11)；同一吸附塔对应的吸附塔进气阀和吸附塔泄放阀连接该吸附塔的进气口，同一吸附塔对应的吸附塔出气阀和吸附塔均压阀连接该吸附塔的出气口；
在电气控制单元的控制下，各吸附塔均按照动作1～9的编号顺序执行，动作1～9及其执行顺序如下：
1)吸附，所述吸附为引入空气排放高纯度氮气的恒压过程；
2)降压，所述降压为通过阀门管道排放高纯度氮气和排放低纯度氮气的压力下降过程；
3)逆放，所述逆放为通过阀门管道排放低纯度氮气的压力下降过程；
4)冲洗，所述冲洗为通过阀门管道引入高纯度氮气排放低纯度氮气的恒压过程；
5)等待一，所述等待为无气体进排的恒压过程；
6)均升，所述均升是各吸附塔在作为降压吸附塔时排放高纯度氮气回收的压力上升过程；
7)等待二，所述等待为无气体进排的恒压过程；
8)回放，所述回放为均升后排放高纯度氮气的压力下降过程；
9)升压，所述升压为引入处理空气和高纯度氮气的压力上升过程；
其中，所有吸附塔启动吸附动作的时间按照预设的时间间隔依序错开，并且，在任意连续的n个吸附塔进行吸附动作时，其余2个吸附塔作为均压塔执行均升和/或回放动作。
2.根据权利要求1所述的一种多塔循环变压吸附制氮的装置，其特征在于：吸附的时间与降压、逆放、冲洗、等待一、均升、等待二、回放和升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与均升、等待二、回放、升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与吸附时间的一半时间相等。
3.根据权利要求2所述的一种多塔循环变压吸附制氮的装置，其特征在于：各个吸附塔的吸附动作时序重叠呈阶梯状排列。
4.根据权利要求3所述的一种多塔循环变压吸附制氮的装置，其特征在于：所述n+2个吸附塔两端分别通过对应的吸附塔进气阀和吸附塔出气阀并联于所述空气总管(8)和氮气总管(9)之间；同时，所述n+2个吸附塔两端分别通过对应的吸附塔泄放阀和吸附塔均压阀并联于所述排放总管(10)和均压总管(11)之间。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多塔循环变压吸附制氮的装置，其特征在于：所述电气控制单元还包括时间程序控制器，用于控制各个吸附塔执行动作1～9的时间；所述的n+2个吸附塔各自对应连接的管路中还设置有压力测点和/或温度测点。
6.利用权利要求1所述的装置进行多塔循环变压吸附制氮的方法。
7.根据权利要求6所述的多塔循环变压吸附制氮的方法，其特征在于：吸附的时间与降压、逆放、冲洗、等待一、均升、等待二、回放和升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与均升、等待二、回放、升压的总时间相等，降压、逆放、冲洗、等待一的总时间与吸附时间的一半时间相等。
8.根据权利要求7所述的多塔循环变压吸附制氮的方法，其特征在于：各个吸附塔的吸附动作时序重叠呈阶梯状排列。
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