CN1123711A - 利用变压吸附处理气体混合物的方法 - Google Patents

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Abstract

对三个吸附床(1-3)中的每一个吸附床来说，循环包括实质上的等压并流吸附步骤，包括利用连续运行的稳速真空泵(7)的真空泵送阶段的解吸步骤和再升压步骤(c)。当产品流速降低时，在循环的期间内，提高真空泵的平均吸入压力。应用本发明的方法从空气中生产不纯的氧气。

Description

利用变压吸附处理气体混合物 的方法
本发明涉及采用三个吸附床类型的变压吸附处理气体混合物，尤其是空气的方法，对给定的额定产量来说，其中的每一个吸附床中，从一个吸附床到另一个吸附床，一个循环被分成额定循环期间的三分之一，该循环进行包括下述的相继步骤：
(a)在循环高压下的实质上的等压吸附步骤，被处理的气体混合物在吸附床中沿所谓并流的方向进行循环；
(b)解吸步骤，包括到循环的低压为止的泵送阶段，所述低压小于大气压力，利用连续运行的恒速真空泵在接近大气压力下送气来进行；和
(c)到循环的高压为止的吸附床的再升压步骤。
本发明涉及利用变压吸附和在真空下吸附床再生分离气体混合物的方法，通常称为“VSA”(真空变压吸附法)。它特别适宜用于从空气中生产不纯的氧气，称为“VSAO2”。
对所谓的额定产量来说，VSAO2装置的设备(吸附床、引入待处理气体混合物的鼓风机或压缩机、真空泵)是依一定的尺寸制造的，与所生产氧气的给定流速、纯度和压力相适应。因此，对额定产量来说，该设备是最佳化的。在一定时间内，当对氧气的需求小于额定流速时，该设备必须调节到这种新的流速。进行这种调节的已知方法如下：
(1)通过部分关闭氧气产品阀，或者如果离开设备的氧气要升压，通过各成分的驱动作用来控制压缩机的流速，简单地降低抽出氧气的速度。
这种方法有两个缺点：一方面，生产的氧气纯度是变化的，而另一方面，降低产量设备能耗却未相应地减少，这就增加了生产氧气的专门费用。
(2)机器间歇操作。这种操作需要机器多次重复开动，与它们的可靠性和/或氧气的大缓冲容量设备不相容。
(3)利用可变速马达驱动输入鼓风机(或压缩机)和真空泵，使循环时间延长了，同时维持额定操作的压力。
实际上，这种方法的缺点在于这种设备昂贵和在额定流速下由于可变速控制器的操作需要额外的能耗。
(4)使用较贵的多级调速马达，仅能获得很窄范围的最佳减速，例如在100％和50％的额定流速下操作。
本发明的目的同在于降低所生产气体的流速，而基本上不增加投资，不改变所生产的气体的纯度，而且还伴随着降低能量。
为此，本发明的目的是提供一种上述类型的方法，在该方法中，当产品的流速降低时，在循环的持续期间内，就提高真空泵的平均吸入压力。
本发明的方法包括一个或几个下述的特征：
—当产品的流速降低时，在解吸步骤的一个阶段，真空泵的吸入口只与压力高于额定操作期间真空泵的平均吸入压力的，尤其是接近大气压力下可得到的辅助气的外部气源连接；
—循环周期被延长所述阶段期间的3倍；
—当产量流速在至少循环的某一阶段期间下降时，泵的吸入口既与一吸附床连接又与压力高于额定操作期间真空泵的平均吸入压力、尤其是接近大气压力下可得到的辅助气外部源连接；
—循环的上述阶段与整个循环相等；
—辅助气是空气或来自吸附床的残余气；
—当产品流速降低时，在吸附步骤的最后阶段期间，离开吸附床的气体输送到另一吸附床的出口，该吸附床的入口与真空泵的吸入口连接。
本发明的另一目的是上述方法被应用于一种循环，其中对额定产量来说：
—解吸步骤包括一并流减压阶段，随后反向地，即所谓的逆流泵送，和
—再升压步骤，包括利用来自并流减压阶段中的另一个吸附床的气体的逆流清洗阶段，随后利用来自吸附步骤中的另一个吸附床的气体的逆流再升压阶段。
在这种方式的应用中，在本发明的一个实施方案中，当产品流速降低时，较早地进行从并流减压阶段到逆流泵送阶段的改变。
现在本发明实施方案的一些实例将参考附图来进行描述，其中：
—图1图示了实施本发明方法的VSAO2装置；
—图2图解说明本发明应用的VSA循环；和
—图3—7是降低产品流速的本发明方法五个实施方案的各自相似的图解说明。
图1所示的装置是打算用来生产富氧空气，或不纯的氧气，其浓度优选为约90—95％，从未纯化的空气中来生产。该装置包括三个吸附床1—3，设置了一风扇或一鼓风机5的入口管4，泵送管6，在其中设置了与大气相通的真空泵7，和产品管8，用来输送富氧空气，每个吸附床为圆筒形结构，并包括下部的入口1A—3A和上部的出口1B—3B。吸附床内装置有优先吸附氮气(相对于氧气和氩气)的吸附剂，特别是5A或13X型分子筛。在每个吸附床的底部，每个吸附床可任意地装有一层具有干燥作用的另一种吸附剂，特别是氧化铝或硅胶。真空泵7是一种正位移泵，例如Roots型。
管4利用相应的阀9—1至9—3与每个吸附床的入口相连接。相似地，管6利用相应的阀10—1至10—3与每个吸附床的入口相连接。管8利用相应的阀11—1至11—3与每个吸附床的出口相连接。
而且，真空泵的吸入口经设置了阀13的管口通入大气。
利用这种装置，在一个吸附床的情况下，图2中所描述的一个循环是根据吸附床1进行的富氧空气的额定产量的情况。如果T表示循环持续期间，吸附床2的操作可以由T通过轮班时间T/3进行推断，而吸附床3的操作可以通过轮班时间2T/3进行推断。在这个说明实例中，例如可以选择一个循环的持续期间为1分钟—几分钟。连续地并稳速地驱动机器5和7。
在图2中，时间t以横座标表示，绝对压力P以纵座标表示，利用带箭头的直线表示气流的运动方向和目标；当箭头与纵座标平行时，它们表示在吸附床中的移动方向：当箭头指向纵座标增加的方向(指向图形顶端)时，在该吸附床中气流的方向是并流；如果该向上箭头位于吸附床压力指示线以下，气流就通过吸附床的入口端进入该吸附床；如果箭头向上，位于压力指示线上方，气流就通过吸附床的出口端离开该吸附床，在吸附步骤中，入口端和出口端分别是所述的吸附阶段中吸附床的待处理气体和从这种相同的吸附床排出气体的；当箭头指向纵座标减少的方向(指向图形底部)，在吸附床中的气流为逆流。如果箭头向下，位于吸附床的压力指示线以下，气流通过吸附床的入口端离开该吸附床；如果箭头向下，位于压力指示线以上，气流通过吸附床的出口端进入该吸附床，在吸附步骤中，入口端和出口端总是待处理气体和抽出气体的。而且，实线表示专门施加到一个吸附床的气流，而虚线表示来自其它吸附床的气流。
现在，描述一个吸附床的例如吸附床1完整的循环，参考图1和2，在图2的实例中，循环在两个极端压力之间改变，即在一高或最大压力PM(PM在大气压力和1.2巴绝对压力之间)和一低或最小压力PM(PM在100—400mb之间)之间改变，这就解释了使用鼓风机5和真空泵7的原因。
图2的循环包括：
(a)t＝0—T/3，在PM压力下的等压吸附步骤，在此期间，待处理的空气进入吸附床，并在吸附床中并流移动，而气体(富氧空气)在吸附床的出口排出。这个步骤分成两个阶段：
(a1)从t＝O—t1，全部排出气体构成产品气，也就是说，空气富集到95％的氧气(这种产品气体在下文中使用一个词“氧”来称谓)；
(a2)从t1至T/3，部分的排出气体构成产品气，而剩余部分输送到再压缩步骤的另一吸附床的出口；
(b)从T/3至2T/3，为解吸步骤，它可分成两个阶段：
(b1)从T/3至t2，其中t2—T/3＝t1为并流减压阶段，在此期间，从吸附床的出口排出的气体被输送到再压缩步骤始端的另一吸附床的出口；和
(b2)从t2至2T/3为逆流泵送阶段，在此期间，吸附床的入口与真空泵7的吸入口连接；
(c)从2T/3至T，为再压缩步骤，它分成两个阶段：
(c1)从2T/3至t3，其中t3—2T/3＝t1，为泵压清洗的阶段，其中吸附床通过其出口收集在并流减压阶段(b1)中来自另一个吸附床出口的气体，而通过真空泵7逆流泵入低流速的气体；和
(c2)从t3至T，为使用来自吸附步骤(a2)中的另一个吸附床的出口的气体进行逆流再压缩的阶段。
对氧气的需要减少时，按照本发明的第一实施方案修改循环，图3中描述了这种方法。
在阶段(b1)结束和阶段(b2)开始之间，插入—期间为Δt的附加阶段(b3)，在此期间，关闭吸附床的两端，而真空泵7的吸入口与大气相通。(a2)和(c2)阶段延长相同的期间Δt，因此，循环的整个期间变为T＋3Δt。
优选地，为了使吸附床的再生情况与额定操作相同，在每个步骤期间，希望吸附床处理相同数量的气体，也就是说，应适合下述关系：
Fr×(T/3＋Δt)＝Fn×T/3
式中Fr和Fn分别表示降低的流速和额定流速。
由上述关系式得到：
Δt＝T/3×(Fn－Fr)/Fr
这样，降低流速，就提高泵的平均吸入压力，并且减少了该泵界面处的压力差，由于泵加速，因此每单位时间泵送体积是一常数，泵所耗的能量就减少。
另一方面，在步骤(b)的另一时刻，附加的阶段(b3)开始，在图4的实例中，它是位于步骤(b)结束时，也就是说当吸附床位于循环的低压Pm时。
在降低流速时，图3和4的方法能节省相当部分的能量。因此，在流速降到一半时，可以节省在额定操作中所耗能量的三分之一。
在图5的实例中，在降低流速下操作，通过使泵的吸入口不仅连续地与阶段(b2)和c1)过程中的吸附床出口连接，而且也经管12和开启达预定程度的阀13与大气相通提高泵的吸入压力，而不改变循环期间T。在瞬时t2和T之间，从图2相同的虚线至实线，图中的曲线向上变形。
在这个实例中，在降低流速操作时，吸附剂没有完全再生不会产生严重不利的后果，图为吸附剂可利用的体积是过量的。
供选择地，管12可以与另一适宜的气源，例如压力高于在额定运行期间真空泵的平均吸入压力的可得到的装置的残余气源连接。
另外，只有在循环的一部分期间内，利用定时系统或在预定的低压下起动，才可以用辅助气源。
在图6的实例中，从瞬时T/4＜T3至T/3，在低流速操作中，所生产的一部分氧气被抽取出来，被输送到步骤(b)结束时的另一吸附床的出口，而该吸附床的入口与真空泵的吸入口连接。这样，从瞬时t5至2T/3，该吸附床进行附加的清洗和预压缩。
另一方面，图6用虚线还表示出了相应于额定操作的曲线，而在另一方面，用实线示出了在减速下的操作。实验同样表示，低的流速伴随有泵的低能耗。
实际上，图7的实例与图6不同，而且，在右边并流减压阶段(b1)伴随阶段(c1)一样也缩短了。因此，节省的能量进一步增加。
应当理解，随着产物排出流速的降低图3—7描述的额定循环的各种变化可以在适宜的情况下相互结合或交替采用。
而且，应当指出，本发明不仅在降低产品流速时和以稳定纯度生产氧时能节能，而且在所生产氧的纯度降低的情况下和不降低产品流速时也能节能。

Claims (9)

1.采用三个吸附床(1—3)型的变压吸附法处理气体混合物，尤其是空气的方法，对给定额定的产量来说，在三个吸附床的每一个吸附床中，从一个吸附床到另一个吸附床，一个循环被分成额定循环期间(T)的三分之一，该循环进行包括如下相继步骤：
(a)在循环的高压(PM)下，实质上的等压吸附步骤，被处理的气体混合物在吸附床中沿所谓的并流方向进行循环；
(b)解吸步骤，包括到循环的低压(pm)为止的泵送阶段(b2)，Pm低于大气压，利用连续运行的稳速真空泵(7)在接近大气压下排气；和
(c)达到循环的高压为止的吸附床再压缩步骤，其中，当产品流速降低时，在循环期间提高真空泵的平均吸入压力。
2.按照权利要求1的方法，其中，当产品流速降低时，在解吸步骤阶段部分期间(b3)，真空泵(7)的吸入口只与压力高于在额定操作期间的真空泵的平均吸入压力，特别是接近大气压力下可得到的外部辅助气源相连接。
3.按照权利要求2的方法，其中循环期间延长到上述部分期间(b3)的期间(Δt)的三倍。
4.按照权利要求1的方法，其中当产品流速降低时，在循环的至少一部分期间内，真空泵(7)的吸入口与吸附床(1—3)中的一个和压力高于在额定操作下的真空泵的平均吸入压力，特别是接近大气压力下可得到的外部辅助气源相连接。
5.按照权利要求4的方法，其中循环的所述部分期间等于整个循环。
6.按照权利要求2的方法，其中辅助气是空气，或是吸附床(1—3)的残余气。
7.按照权利要求1的方法，其中当额定产物排出流速降低时，在吸附步骤(a)的最后阶段，离开吸附床的气体输送到另一个吸附床的出口，而该吸附床的入口与泵(7)的吸入口相连接。
8.按照权利要求1的方法在一个循环中的应用，其中对额定产量来说：
—解吸步骤(b1)包括并流减压阶段(b1)，随后在相反方向，既所谓逆流泵送的阶段(b2)和
—再压缩步骤(c)包括利用来自并流减压阶段(b1)中的另一个吸附床的气体进行逆流清洗的阶段(c1)，随后利用来自吸附步骤(a)的另一个吸附床的气体进行逆流再压缩的阶段(c2)。
9.按照权利要求8的应用，其中当产品流速降低时，从阶段(b1)变到阶段(b2)较早的进行。
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