CN111530232B - 气体分离装置和气体分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体分离技术领域，公开了一种气体分离装置和气体分离方法。其中，所述气体分离装置包括吸附塔，吸附塔还具有进气口和多个沿流体流动方向间隔分布的出气口。以制取氮气为例，选择碳分子筛作为吸附剂，由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异，气体混合物的组分可以被有效的分离。由于出气口设置为沿流体流动方向间隔分布，在向所述进气口通入压缩空气后，压缩空气中氧气延流体流动方向逐步被碳分子筛吸附，离进气口越远的出气口氮气的浓度越高。因此，从不同的出气口所释放的氮气的浓度也是不同。这样就实现了能够同时制取不同纯度氮气的效果，克服了现有技术的气体分离装置不能同时制取多种不同纯度氮气的问题。

Description

气体分离装置和气体分离方法

技术领域

本发明涉及气体分离技术领域，具体地涉及一种气体分离装置和气体分离方法。

背景技术

气体分离装置是指以混合气体为原料，利用物理或化学方法，将其中有用气体进行分离的设备。

以制备(分离)氮气为例，现有技术中，在额定产氮量前提下，目前该领域采用的技术均为每台套制氮机仅能制取一种纯度的氮气。当用户需要制备两种或两种以上不同纯度的氮气时，一种方法是购置两台甚至多台制氮机用以满足需求；另一种方法是购置产氮量大且产氮纯度高的制氮机。

采用上述两种方式满足用户同时需要两种或两种以上纯度的氮气工艺需求会产生以下缺点：其一，设备投资成本以及维护费用高；其二，设备操作及检修工作量大；其三，设备台套增加导致故障点多；其四，采用高纯度氮气代替低纯度氮气使用导致氮气使用成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中气体分离装置不能同时制取多种不同纯度气体的问题。

为了实现上述目的，本发明提供第一方面提供一种气体分离装置，包括内部具有空腔且能够填充吸附剂的吸附塔，所述吸附塔还具有进气口和多个沿流体流动方向间隔分布的出气口。

根据吸附剂的选择不同，本发明的气体分离装置可以制取不同气体。以制取氮气为例，选择碳分子筛作为吸附剂，由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异，气体混合物的组分可以被有效的分离。具体而言，碳分子筛内部微孔分布一般在0.28～0.38nm。在该微孔尺寸范围内，氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内，而氮气却很难通过微孔孔口，从而实现氮气分离。简言之，碳分子筛吸附氧气的能力大于吸附氮气的能力。

由于出气口设置为沿流体流动方向间隔分布，在向所述进气口通入压缩空气后，压缩空气中氧气延流体流动方向逐步被碳分子筛吸附，离进气口越远的出气口氮气的浓度越高。因此，从不同的出气口所释放的氮气的浓度也是不同。这样就实现了能够同时制取不同纯度氮气的效果，克服了现有技术的气体分离装置不能同时制取多种不同纯度氮气的问题。大幅度降低设备投资(购置)成本及维护费用，减少了设备操作及检修工作量，减少了设备台套增加导致的故障点，降低了高纯度氮气代替低纯度氮气使用所导致氮气使用成本高的问题。

进一步地，所述吸附塔包括由多个吸附单元流体连通形成的流体通道，每个所述吸附单元上均设置有所述出气口。

在一种具体实施方式中，多个所述吸附单元流体连通形成循环流体通道。

在另一种具体实施方式中，多个所述吸附单元流体连通形成具有始端和末端的单向流体通道。

进一步地，所述进气口位于所述单向流体通道的始端；所述单向流体通道的始端还设置有排气口。

进一步地，所述进气口、所述出气口以及所述排气口处均设置有用于打开和关闭所述进气口、所述出气口以及所述排气口的阀门。

进一步地，所述阀门设置为气动阀或电动阀。

本发明另一方面提供一种气体分离方法，利用上述气体分离装置同时制取不同纯度的气体，所述气体分离方法包括：

在所述吸附单元内填充吸附剂；

通过进气口向所述吸附单元内通入混合气体；

从不同所述出气口释放不同浓度的气体。

通过上述技术方案，由于出气口设置为沿流体流动方向间隔分布，在向所述进气口通入压缩空气后，越靠近出气口压缩空气所经历碳分子筛吸附的时间越长，吸收越充分，氮气的浓度也就越高。因此，不同的出气口所释放的氮气的浓度是不同。如此克服了现有技术的气体分离装置不能同时制取多种不同纯度氮气的问题。

进一步地，在所述吸附单元内填充碳分子筛，通过进气口向所述吸附单元内通入压缩空气，从不同所述出气口释放不同浓度的氮气。

进一步地，所述气体分离方法还包括在气体分离前或气体分离完毕后，打开设置在所述单向流体通道的始端的排气口，关闭所述进气口和除单向流体通道末端的出气口，从单向流体通道末端的出气口向所述吸附塔内通入置换气体。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明气体分离装置或气体分离方法一种实施方式的示意图。

附图标记说明

100吸附塔 10进气口

20出气口 30排气口

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指在装配使用状态下的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。

本发明第一方面提供一种气体分离装置，如图1所示，所述气体分离装置包括内部具有空腔且能够填充吸附剂的吸附塔100，所述吸附塔100具有进气口10和多个沿流体流动方向间隔分布的出气口20。

本发明的气体分离装置根据吸附剂和混合气体的选择不同，可以制取不同气体。以制取氮气为例，选择碳分子筛作为吸附剂，选择空气作为原料气体。由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异，气体混合物的组分可以被有效的分离。具体而言，碳分子筛内部微孔分布一般在0.28～0.38nm。在该微孔尺寸范围内，氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内，而氮气却很难通过微孔孔口，从而实现氮气分离。简言之，碳分子筛吸附氧气的能力大于吸附氮气的能力。

由于出气口20设置为沿流体流动方向间隔分布，在向所述进气口10通入混合后，压缩空气中氧气延流体流动方向逐步被碳分子筛吸附，因此越远离所述进气口10的出气口20所释放的氮气的浓度越高。因此，从不同的出气口20所释放的氮气的浓度是不同。如此便实现了一套设备就能够同时制取多种不同纯度氮气的效果，克服了现有技术的气体分离装置不能同时制取多种不同纯度氮气的问题。大幅度降低设备投资(购置)成本及维护费用，减少了设备操作及检修工作量，减少了设备台套增加导致的故障点，降低了高纯度氮气代替低纯度氮气使用所导致氮气使用成本高的问题。

如果需要制备多种不同浓度的氧气，则将吸附剂更换为沸石分子筛即可。

进一步地，所述吸附塔100包括由多个吸附单元流体连通形成的流体通道，所述流体通道可以是直线通道，也可以是曲线通道。每个所述吸附单元上均设置有所述出气口20。每个所述吸附单元上的所述出气口20可以设置为一个、两个或多个。如果每个所述吸附单元上设置为多个所述出气口20，那么多个所述出气口20在该吸附单元的的排列方式可以是多样的，可以设置成在该吸附单元的周向上间隔排列，也可以设置成沿流体(压缩空气)流动的方向间隔设置(包括等间隔和不等间隔)。

在一种可选的实施方式，各吸附单元上的多个所述出气口20均设置成成沿流体(压缩空气)流动的方向间隔设置，进一步地，设置为等间隔设置。出气口20的个数和密集度直接影响对氮气浓度的精度控制。换言之，出气口20个数越多，密集度越高，越有利于使用者对于氮气浓度的控制。

如果每个所述吸附单元上仅设置一个所述出气口20，多个所述吸附单元的所述出气口20在流体流动方向上间隔设置(包括等间隔和不等间隔)。进一步优选地，如图1所示，所述出气口20设置在相邻两个所述吸附单元的交界处。在本发明的一种可选的具体实施方式中，所述出气口20在流体流动方向上等间隔设置，这样有利于计算从不同出气口20释放的氮气浓度。

在本发明的一种具体实施方式中，多个所述吸附单元100流体连通形成具有始端和末端的单向流体通道。所述进气口10位于所述单向流体通道的始端，所述单向流体通道的始端还设置有排气口30。为了能够控制气体的释放量，在所述进气口10、所述出气口20以及所述排气口30处均设置有用于打开和关闭所述进气口10、所述出气口20以及所述排气口30的阀门。优选地，所述阀门设置为气动阀或电动阀。进一步优选地，在所述进气口10处设置了进气管，在所述出气口20处设置了出气管，在所述排气口30处设置了排气管，并在所述进气管、出气管以及所述排气管上安装所述阀门。

与前一种具体实施方式不同的是，在另一种具体实施方式中，多个所述吸附单元100流体连通形成循环流体通道，即该循环流体通道首尾相连。其工作原理与单向流体通道的工作原理相似，这样也能实现在不同的出气口20释放不同浓度的气体，同时制备多种不同浓度的气体。

以制备氮气为例，在本发明的一种较为优选的具体实施方式中，所述吸附单元包括两端具有开口且内部具有柱状空腔的柱状体，多个所述吸附单元连接形成柱状的直线流体通道。每个所述吸附单元上仅设置一个出气口20，且多个所述出气口20在流体流动方向上间隔设置。进气口10和排气口30均设置在所述直线流体通道的始端。在所述进气口10设置进气管，在所述出气口20处设置出气管，在所述排气口30处设置排气管，并在所述进气管、出气管以及所述排气管上安装气动阀或电动阀。根据所需不同的氮气纯度及氮气量需求，如图1所示，所述吸附塔100包括N个吸附单元，分别是吸附单元A、吸附单元B、吸附单元C……吸附单元N。在本具体实施方式中，气体分离装置同时实现吸附单元A制取的氮气的纯度为Ca，氮气量为Qa；吸附单元B制取的氮气纯度为Cb，氮气量为Qb；吸附单元C制取的氮气的纯度为Cc，氮气量为Qc，以此类推，吸附单元N制取的氮气的纯度为Cn，氮气量为Qn。

在本具体实施方式中，分子筛(吸附剂)的装填量需满足以下条件：吸附单元A的分子筛装填需满足制取氮气量为Qa+Qb+Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Ca的使用量要求；吸附单元B的分子筛装填需满足制取氮气量为Qb+Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Cb与Ca差值的使用量要求；吸附单元C的分子筛装填需满足制取氮气量为Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Cc与Cb差值的使用量要求，以此类推，吸附单元N的分子筛装填需满足制取氮气量为Qn，氮气纯度为本吸附单元Cn与Cn-1的差值的使用量要求。

使用时，将原料压缩空气从进气口10输入，纯度为Ca的产品氮气由吸附单元A的出气口20输出，纯度为Cb的产品氮气由吸附单元B的出气口20输出，纯度为Cc的产品氮气由吸附单元C的出气口20输出。以此类推，纯度为Cn的产品氮气由吸附单元N的出气口20输出。吸附塔100由底至顶，各氮气输出口氮气纯度逐渐由底变高，即氮气纯度Cn＞……＞Cc＞Cb＞Ca。

在吸附平衡情况下，吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大，反之，则吸附量越小。在空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳和水分。当压力降到常压时，碳分子筛对氧气、二氧化碳和水分的吸附量就非常小。因此在本发明的具体实施方式中，从所述进气口10通入的是压缩空气。

同理，如果需要制备其他气体，更换相应的分子筛(吸附剂)和更换通入的混合气体即可。

另一方面，本发明提供一种气体分离方法，利用所述气体分离装置制取不同纯度的气体，所述气体分离方法包括：

在所述吸附单元内填充吸附剂；

通过进气口10向所述吸附单元内通入混合气体；

从不同所述出气口20释放不同浓度的气体。

以同时制取多种不同浓度的氮气为例，选择碳分子筛作为吸附剂，即在所述吸附单元内填充碳分子筛，混合气体选用压缩空气。通过上述技术方案，由于出气口20设置为沿流体流动方向间隔分布，在向所述进气口10通入压缩空气后，压缩空气中的氧气延流体流动方向逐步被碳分子筛吸附，因此越远离所述进气口10的出气口20所释放的氮气的浓度越高。因此，从不同的出气口20所释放的氮气的浓度是不同。这样便实现了一套装置就能够同时制取多种不同纯度氮气的效果，克服了现有技术的气体分离装置不能同时制取多种不同纯度氮气的问题。大幅度降低设备投资(购置)成本及维护费用，减少了设备操作及检修工作量，减少了设备台套增加导致的故障点，降低了高纯度氮气代替低纯度氮气使用所导致氮气使用成本高的问题。

需要再次说明的是，本气体分离方法不仅能够同时制备多种不同浓度的氮气，根据吸附剂和混合气体的选择不同，还可以同时制取其他气体。

所述气体分离方法还包括在气体分离前或气体分离完毕后，打开设置在所述单向流体通道的始端的排气口30，关闭所述进气口10和除单向流体通道末端的出气口20，从单向流体通道末端的出气口20向所述吸附塔100内置换气体。

需要说明的是，所述的“置换气体”是指用于驱除吸附剂上所吸附的气体。如果是制备氮气，则吸附剂选用的是碳分子筛。那么，在气体分离前或气体分离完毕，向所述吸附塔100内通入的置换气体为氮气，这样可以置换附着在碳分子筛上氧气氛围，提高碳分子筛的制氮能力和利用率。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种气体分离装置，其特征在于，所述气体分离装置包括内部具有空腔且能够填充吸附剂的吸附塔（100），所述吸附塔（100）还具有进气口（10）和多个沿流体流动方向间隔分布的出气口（20）；

所述吸附塔（100）包括由多个吸附单元流体连通形成的流体通道，每个所述吸附单元上均设置有所述出气口（20）；

多个所述吸附单元流体连通形成具有始端和末端的单向流体通道；

所述进气口（10）位于所述单向流体通道的始端；所述单向流体通道的始端还设置有排气口（30）；

每个所述吸附单元上设置有多个所述出气口（20），多个所述出气口（20）沿流体流动方向等间隔分布；

所述进气口（10）、所述出气口（20）以及所述排气口（30）处均设置有用于打开和关闭所述进气口（10）、所述出气口（20）以及所述排气口（30）的阀门；

所述阀门设置为气动阀或电动阀。

2.一种气体分离方法，其特征在于，利用权利要求1所述气体分离装置同时制取不同纯度的气体，所述气体分离方法包括：

在所述吸附单元内填充吸附剂；

通过进气口（10）向所述吸附单元内通入混合气体；

从不同所述出气口（20）释放不同浓度的气体；

所述气体分离方法还包括在气体分离前或气体分离完毕后，打开设置在所述单向流体通道的始端的排气口（30），关闭所述进气口（10）和除单向流体通道末端的出气口（20），从单向流体通道末端的出气口（20）向所述吸附塔（100）内通入置换气体；

吸附剂的装填量需满足以下条件：吸附单元A的分子筛装填需满足制取氮气量为Qa+Qb+Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Ca的使用量要求；吸附单元B的分子筛装填需满足制取氮气量为Qb+Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Cb与Ca差值的使用量要求；吸附单元C的分子筛装填需满足制取氮气量为Qc+……+Qn，氮气纯度为本吸附单元Cc与Cb差值的使用量要求，以此类推，吸附单元N的分子筛装填需满足制取氮气量为Qn，氮气纯度为本吸附单元Cn与Cn-1的差值的使用量要求。

3.根据权利要求2所述的气体分离方法，其特征在于，在所述吸附单元内填充碳分子筛，通过进气口（10）向所述吸附单元内通入压缩空气，从不同所述出气口（20）释放不同浓度的氮气。

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