CN113383203A - 用于在低压下分离空气气体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种空气气体分离设备在空气流的循环方向上包括：‑压缩装置(1)，该压缩装置使得能够将该空气流压缩到1.15巴绝对值和2巴绝对值之间的压力P1，‑TSA型吸附单元(2)，以及‑低温蒸馏单元(3)，‑其中该吸附单元包括至少两个吸附器A和B，每个吸附器具有水平地布置的平行六面体壳体并且包括：‑空气流入口和空气流出口，‑固定床吸附剂块，该固定床吸附剂块同样为平行六面体形状，该固定床吸附剂块的面平行于该壳体的面；以及‑一组体积，该组体积允许该空气流在该吸附剂块的整个截面上并贯穿其整个厚度水平地穿过该吸附剂块。

Description

用于在低压下分离空气气体的系统和方法
本发明涉及一种用于航空气体分离的设备以及使用所述设备进行航空气体分离的工艺。更具体地，本发明涉及在通过低温蒸馏来分离大气空气之前净化所述空气。
已知的是，大气空气含有在其被引入空气分离单元的冷箱的热交换器之前必须去除的化合物，特别是水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、氮氧化物和碳氢化合物。
事实上，在没有对空气进行此类处理以去除其H2O和CO2杂质的情况下，当空气冷却到低温温度(典型地低于-150℃)时，这些杂质凝固，这会导致特别是换热器、蒸馏塔等装备堵塞的问题。
此外，还通常至少部分地去除空气中可能存在的碳氢化合物和氮氧化物杂质，以防止其在(多个)蒸馏塔的底部中浓度过高，以及因此减轻装备损坏的任何风险。
空气的这种预处理目前在适用时使用PSA(变压吸附)工艺或TSA(变温吸附)工艺进行。这些工艺的不同之处在于吸附剂的再生方式：如果所述再生是由于压力低于吸附压力而发生，则再生方式为压力效应，或者当再生发生在高于吸附温度的温度时，再生方式为温度效应。应注意的是，在TSA单元中也可以具有减压效应，并且在这种情况下可以使用各种名称。在本文件中，当温度效应用于再生时使用术语“TSA”，无论是否存在与压力相关的附加效应。
常规地，TSA工艺空气净化循环包括以下步骤：
如果在单元的上游使用制冷装置，则在高于大气压力下和可能在5℃到10℃的量级的环境温度下净化空气
a)将吸附器减压降至大气压力，
b)在大气压力下使吸附剂再生，特别是使用来自空气分离单元的不纯氮气并通过交换器(通常是电加热器或蒸汽加热器)加热到通常在90℃和250℃之间的温度，
c)将吸附剂冷却至环境温度，特别是通过继续在其中引入来自空气分离单元、但未加热的所述废气，
d)用例如来自处于生产阶段的吸附器的大气空气或净化空气对吸附器进行再加压。
通常，空气预处理设备包括交替运行的两个吸附器，即吸附器之一处于生产阶段，同时另一个处于再生阶段。
可以添加上述步骤的附加步骤，比如将两个吸附器并行放置不同持续时间(即从几秒到几分钟)的步骤，或例如在再生步骤结束时没有流体循环通过吸附剂的等待步骤。
由于压力有助于阻止杂质，净化单元通常在压缩后、即在大于3巴绝对值的压力下、经常在大于4.5巴绝对值的压力下安装。此压力取决于为空气分离选择的低温循环。
最常用的循环是常规的双塔循环，其中空气被压缩到单一压力，该单一压力不计压头损失时对应于所谓的中等压力塔的操作压力，即非常普遍地在4.5巴绝对值和6巴绝对值之间。
存在更复杂的低温循环，其中空气在中等压力(MP，典型地为4.5巴绝对值至9巴绝对值)和高压力(HP，典型地为10巴绝对值至65巴绝对值，或甚至90巴绝对值)下使用。最高压力是通过再次压缩适当分数的中等压力空气或通过使用两个压缩机(MP、HP)将大气空气压缩至所需压力来获得的。可以使用两个净化单元(即用于在此压力下直接使用的空气的分数的MP单元和用于压缩到高压的部分的HP单元)，以使要使用的吸附剂的体积最小化。这种解决方案在FR 2949846中提出，其中第一压力在5巴绝对值和9巴绝对值之间，或甚至在2巴绝对值和4巴绝对值之间。然而，为了简单起见，并且通常由于投资较小，通常选择包括在MP下净化所有空气的解决方案。在EP 0789208 B1中描述了这种类型循环的一个示例，具体参见图1，其中在第一次压缩之后，MP压力为5巴绝对值至6巴绝对值。以这种方式净化的空气的分数然后被增压。
应当理解，虽然压力促进了吸附，但作为交换，需要与净化相关的装备、特别是吸附器的壳体具有更大的机械强度。若干类型的吸附器用于这种空气净化应用：具有竖直轴线的圆柱形吸附器，具有水平轴线的圆柱形吸附器，径向吸附器。应当注意，使用的所有壳环都是圆柱形的。这是因为圆柱体比平坦表面更能抵抗内部压力。
由于用于空气分离所消耗的能量本质上与将空气压缩所需的能量相关，因此必须使沿着影响此压力的所有回路的压头损失最小化，以获得最佳的比分离能量。空气净化过程中的压头损失是工艺的并非无关紧要的不可逆性部分。因此，存在开发对流体循环具有最小制动的吸附器的潜在趋势。无论吸附器的类型如何，使用薄层形式并具有大流动面积的吸附剂是通常选择的解决方案之一，但这种选择具有缺点。
如[图1]示意性所示，这种布置导致吸附剂体积两侧的死空间很大。图1中的a、b和c分别示出了具有竖直轴线和水平轴线的圆柱形吸附器以及径向吸附器。当它们以薄层使用时，吸附剂的体积仅占吸附器的总内部体积的一定分数，一般小于50％。当吸附器的尺寸增加时，此分数趋于减少。这些死空间的部分是必要的，以确保通过吸附剂体积的空气和再生气体的满意分布。如文件开头所提及的，这种应用寻求非常精细的净化以去除各种杂质，特别是碳氢化合物，尤其是丙烷和氮氧化物，一般去除到远低于一ppm(百万分之一)。这产生在吸附器的入口和出口处的大分布区，以便具有均匀分布。这也需要特别小的填充容差，以便具有厚度相同和密度相同(或空隙分数相同)的吸附剂层，而无论流体通过吸附剂的路径如何，以便避免在净化步骤结束前污染生产的任何空气旁路。
应当注意，在径向床的情况下，由于使用同心圆柱形网，可以获得在制造公差内实际上相同的床厚度。相反，在具有竖直或水平轴线的圆柱形吸附器的情况下，在填充后，自由表面必须是平坦的，并且必须确保它们在操作过程中保持这种状态。在可能超过10m2的区域上，这需要适当的安装程序和/或器件。
尽管圆柱形吸附器由于其几何形状可以被相对高效且均匀地填充，但径向床并非总是如此，为此通常必须使用专门为此开发的装备和/或必须在上部部分中提供可移除装备。
由于壳体的体积、壁的厚度以及当需要通过薄床良好分配流体时必须提供的适当设备，这使得这种中等压力净化的投资相对较大。因此，已经有许多发展试图降低这种成本，特别是提出使用大气压力净化单元来代替MP净化或至少减小其尺寸。
特别地，已经开发出在空气压缩机的进气口处具有全部或部分大气压力空气净化的系统。
US 2005/0217481描述了这样一种系统，该系统使用通过低压成为可能的技术，即低压旋转式吸附剂接触器。这种工艺被认为是适合于低温分离前的空气净化。当寻求超高纯度(杂质几乎完全阻止)时，必须使用串联的3个设备。
仍然使用旋转式吸附剂接触器技术，已经设想了在压缩之前串联放置旨在去除大部分水分的旋转系统，然后进行常规净化以去除残留杂质。可以参考US 2017/0216760，其描述了这种双系统，虽然是应用于VPSA。
应注意的是，旋转式系统最初开发是用于在空气调节过程中在大气压力下从空气中去除一些水分，而不是用于精细净化。对于这些后者应用，它们必须通过增强流体之间和对外部的密封以及增加串联级数来适配。据我们所知，所设想的应用的工业生产尚未发生。
密封旋转式系统的这些问题随着远离大气压力而变得越来越麻烦。
这里应注意的是，将吸附压力从MP降低到大气压力具有两倍、或甚至三倍的负面影响。对于相同的含量，吸附的量要低得多，并且对于CO2、痕量碳氢化合物和氮氧化物尤其如此。这致使吸附剂的体积的第一次增大。要在大气空气中捕获的水的量远大于MP空气中的水的量。这是因为在MP解决方案中大部分水在空气压缩机的后冷却器的出口处以液体形式被去除。这导致干燥剂的体积明显增大。然而，这种水的吸附也导致加热循环通过吸附剂的空气，再次降低吸附CO2和其他杂质的能力。
实际上，这意味着包括将空气净化置于大气压力下的解决方案并不完全令人满意，并且很少使用。与使用低压相关的材料和技术的潜在节省完全被低压致使难以捕获杂质所抵消。
因此也提出了混合解决方案，即在大气压力下部分净化，然后在中等压力下进行最终净化。最终净化单元比常规解决方案中的净化单元要小，但必须使用两个单元抵消了这种减少所预期的益处。
最终，目前还没有净化工艺能够从低压技术和MP净化受益。
本发明的一个解决方案是一种空气气体分离设备，该空气气体分离设备在空气流的循环方向上包括：
-压缩装置1，该压缩装置使得可以将该空气流压缩到1.15巴绝对值和2巴绝对值之间的压力P1，
-TSA型吸附单元2，以及
-低温蒸馏单元3，
其中该吸附单元包括至少两个吸附器A和B，每个吸附器具有水平地布置的平行六面体壳体并且包括：
-空气流入口和空气流出口，
-固定床吸附剂块，该固定床吸附剂块同样为平行六面体形状，该固定床吸附剂块的面平行于该壳体的面；以及
-一组体积，该组体积允许该空气流在该吸附剂块的整个截面上并贯穿其整个厚度水平地穿过该吸附剂块。
流体水平地循环通过吸附剂块。因此，该块可以保持在两个气孔壁之间，这两个气孔壁的间距容差可以非常小。因此可以获得非常薄、非常均匀的床厚度。如已经所述的，通过具有大自由表面的平坦吸附剂床实际上不可能达到这种精度水平。
在下文中，吸附器A的长度表示为L，其高度表示为H且其宽度表示为l。吸附剂块的截面也具有长度L和高度H。
在本发明的上下文中，压力P1的选择是基本的。此压力必须足够低以允许使用吸附器(即在实践中，具有平坦表面的吸附器壳体而不是圆柱形壳体)的低压技术，但也明显高于大气压力以限制上面列出的负面影响。例如，1.5巴绝对值的压力使得可以使用可选地在平坦表面上具有若干加强件的平行六面体吸附器。与大气压力解决方案相比，它还允许非常可观的改进。杂质的分压力增加了50％，并且由于这些杂质以痕量形式存在，所用吸附剂的吸附能力也增加了50％，作为初始近似值。可以引入的水的量较小，并且对应的温升较小。
对于相同的吸附时间，在1.5巴绝对值下的净化仍然比在3巴绝对值或4巴绝对值下的MP净化量大得多，而且也远比在大气压力下的净化更有效。因此，对壳体使用低压技术可以使天平有利于根据本发明的解决方案。
这里，固定床是指无论是颗粒形式(珠、棒、粒、晶片等)还是结构化吸附剂(比如整块)形式的吸附剂都在自身固定的壳体中是固定的。这排除了吸附剂可移动的任何解决方案，特别是任何旋转式系统，比如旋转式接触或桶系统(其中包含吸附剂的壳体是可移动的工艺)。
应当注意的是，吸附器A的壳体的平行六面体形状允许在不必使用复杂的填充系统的情况下对吸附器进行密实、均匀的填充。
还应注意的是，吸附剂块使气体流在其整个长度上水平地穿过的事实意味着可以使用非常薄(例如0.15m)且非常均匀的吸附剂床厚度。
视情况而定，根据本发明的设备可以具有以下特征中的一个或多个：
-吸附器A和B包括用于再生流的入口和出口；注意，用于再生流的入口和出口可以与用于空气流的入口和出口重合；
-吸附剂块的至少一种吸附剂呈颗粒形式；
-所述设备在压缩装置1与低温蒸馏单元3之间包括单个吸附单元；
-该组体积包括用于引入和分配空气流的第一体积V1；包含吸附剂块的第二体积V2；以及用于回收经净化的空气流的第三体积V3；这三个体积是邻接的并且经由它们共用的面而流体连通；作为优选，这三个体积V1、V2和V3的形状为平行六面体，并且每个体积具有长度L、高度H和相应的宽度l1、l2、l3，其中l1<l，l2<l，l3<l；
-第二体积V2包括容纳不同吸附剂的至少两个子体积；这些子体积优选地是平行六面体形状并且具有等于体积V2的高度和长度的高度和长度；
-体积V1和/或体积V3分别包括子体积V11至V12和V31至V32，这些子体积由改善流体分布的穿孔壁分开；
-体积V1或V11和V3或V32各自具有可渗透这些流体的至少一个面，并且该吸附器包括与这些可渗透面邻接的流体分配集总罐
Figure BDA0003188377610000061
和流体回收集总罐；这些分配集总罐和回收集总罐优选地是半圆柱形形状；它们可以改善吸附器的机械强度并限制可能需要的加强件的数量；例如，如果使安装更容易，空气流可以经由分配集总罐进入，并且残余气体可以经由回收集总罐提取；
-体积V2或体积V2的至少一个子体积在其顶端的整个长度上包括适用于避免经净化的空气的局部潜在污染的系统；这种污染可能与旁路或再生故障有关；
-该吸附单元包括N对吸附器，其中N≥1，每对吸附器包括邻接定位以形成单个平行六面体的吸附器A和吸附器；作为优选，同一对的吸附器相对于它们的相邻面对称安装。当考虑由这一对吸附器形成的平行六面体时，与引入待净化的空气有关的体积优选地位于平行六面体的外侧，并且与引入再生气体有关的体积优选地位于中心位置；
-每对吸附器包括处于吸附模式的吸附器A和处于再生模式的吸附器B，其中处于吸附模式的所有吸附器并行地操作，并且处于再生模式的所有再生吸附器并行地操作；
-每个吸附器A或B、或该A/B吸附器对被安装在ISO容器内或安装在具有符合ISO标准的尺寸和提升布置的容器内；注意，作为优选，容器的结构的至少一部分直接用作用于一个或多个吸附器的结构；还作为优选，吸附辅助装备的至少一部分(比如用于再生气体的阀和加热器)安装在容器内；
-这些吸附器A和B在它们的面的至少一部分上包括外部或内部隔热件；
-该吸附器A和/或该吸附器B的壳体具有在2米和15米之间的长度L；在1米和3米之间的高度H；以及在0.5米和3米之间、优选地在0.8米和1.2米之间的宽度l。
将通过图2更详细地描述根据本发明的设备的吸附器A。具体地，该图示出了可能存在的各个体积V1、V2和V3以及任何子体积。“平行六面体形状”是指在实践中，吸附器壳体有六个平坦面并且具有平行六面体的外观，但它可以有加强件、局部地具有至少一个内部或外部隔绝层，并且显然还具有用于引入和取出空气和再生气体的管或罐。当吸附器平放时，其最长长度表示为L，其宽度表示为l，并且其高度表示为H。在本发明的上下文中，这些是外部尺寸还是内部尺寸并不重要。
图2清楚地示出了，体积和子体积都是平行六面体形状，并且都具有相同的长度L和相同的高度H。它们所形成的平行六面体仅在其宽度方面彼此不同。
如前所述，体积V2可以包括多个子体积，其中每个所述子体积能够容纳不同的吸附剂。
因此，从入口到出口，可以使用活性氧化铝、掺杂活性氧化铝或硅胶来捕获大部分水，使用13X沸石来捕获大部分CO2，使用交换沸石来捕获氮氧化物和某些碳氢化合物等。这里采用的构型比通常的解决方案更容易实现多层净化，每个床具有明确确定的几何体积。宽度l2i可以具有不同的尺寸。这种构型优选地对应于使用颗粒(珠、棒等)形式的吸附剂。还可以使用整块或更一般地使用结构化吸附剂，这需要或不需要具有不同的子体积。实际上，根据结构化吸附剂的几何形状，无需系统地提供可以直接串联放置的不同性质的元件之间的分离。
[图2]示出了对应于2个子体积V21和V22的场景。
根据另一个实施例，体积V1和/或体积V3分别包括子体积V11至V12和V31至V32，这些子体积由改善流体分布的穿孔壁分开。该实施例旨在确保空气以及同样的再生气体在吸附剂的整个截面上的良好分布。一方面在体积V11与V12之间、和/或另一方面在体积V31与V32之间的穿孔部分允许以轻微的压头损失为代价而使进入和/或离开吸附剂层的流体的分布有可观的改善。因此，吸附剂层本身的流体阻力允许在仅1厘米或2厘米之后非常快速地实现流量的近乎完美的分布(如果需要，在+或-1％以内)。
为了保证吸附单元的热效率、也就是说为了限制由此产生的热损失，一个优选实施例对应于以下特征：
-吸附器或吸附器对的至少某些面在吸附器的外侧或内侧具有隔热件。
此隔热件可以采用任何一种常规隔绝材料(珍珠岩、岩棉、膨胀泡沫等)，但也可以采用比如在低温空气分离单元上游的吸附器中常规使用的空气膜或优选地双空气膜系统等措施。在这种情况下，流体本身充当隔热件。
根据另一个实施例，吸附器A或A-B吸附器对被安装在ISO容器内或安装在具有符合ISO标准的尺寸和提升布置的容器内。
吸附器或两个吸附器组装成在车间生产的特定结构，该结构可以可选地使用标准ISO容器的一部分。符合ISO标准的益处是极大地有助于装卸和运输。使组件具有机械抗压性的任何加强件将包含在容器的标准尺寸内。
考虑到存在大尺寸容器的事实，在上述两种情况下，将分配集总罐、一些管道或阀门、电加热器等同样容纳在容器中可能是有益的。容器的至少一个壁(侧壁、底壁或顶壁)可以直接用作吸附器本身的壁。特别地，侧壁可以并入分配体积V1和/或V3中。更一般地，容器的结构的至少一部分直接用作吸附器的结构。
用于吸附器及其内部的材料例如为碳钢、不锈钢、铝或具有低热膨胀性的材料(比如INVAR)。
本发明还涉及一种从含有选自水蒸气、二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的至少一种杂质的空气流中分离空气气体的方法，该方法使用如上所限定的设备并且包括以下相继的步骤：
-将空气流压缩1至1.15巴绝对值和2巴绝对值之间的压力P1，
-使用TSA单元2通过吸附来净化经压缩的空气流，以去除包含在该空气流中的至少一种杂质，以及
-使用单元(3)通过低温蒸馏来分离空气流的成分，其中步骤b)全部在压力P1下进行。
视情况而定，根据本发明的方法可以具有以下一个或多个特征：
-压力P1在1.15巴绝对值和1.5巴绝对值之间，优选地在1.20巴绝对值和1.30巴绝对值之间；
-该方法使用如上文所限定的设备，并且在步骤b)中将空气流引入体积V1或子体积V11中，并且从体积V3或从子体积V32中取出经净化的空气流。注意，这种引入和/或这种取出优选地通过经由壳体的一个或两个侧面水平地执行，或者经由壳体的一个或两个水平面竖直地执行，换言之，经由壳体的顶部和底部或者经由壳体的大面执行；
-所采用的设备在其吸附单元中包括N对吸附器A和B，其中N≥1，其中每对的吸附器邻接定位以形成单个平行六面体，并且每对吸附器包括处于吸附模式的一个吸附器A和处于再生模式的一个吸附器B，该方法包括使该吸附器B再生的附加步骤d)，并且在步骤b)中，在处于吸附模式的每个吸附器A中，该空气流引入每个体积V1或子体积V11中，并且从每个体积V3或子体积V32中取出经净化的空气流，并且在步骤d)中，在处于再生模式的每个吸附器B中，再生流引入每个体积V3或子体积V32中、然后从每个体积V1或子体积V11中取出；
-该空气流或该再生流优选地经由各体积V1、V11、V3和V32的位于该吸附器A或B的平行六面体形状的侧面中的侧面、或者经由其位于该吸附器A或B的平行六面体形状的基部的侧面引入这些体积中或从其中取出。实际上，这些流在理论上可以经由不同体积的面向外部环境的5个面(2个侧面，顶面或底面，或可能的主LxH面)中的至少一个面引入/取出。作为优选，侧面或经由基部。如果2个吸附器邻接定位，则主面不促进分布，并且内面不可用。由于吸附器是从顶部填充的，因此可以避开上部部分中的障碍物。
图3展示了根据本发明的方法。含有待去除的各种污染物的大气空气10通过压缩机1被压缩到1.5巴绝对值量级的压力P1，并且这种经压缩的空气11被引入到TSA的吸附器A中。在净化之后，这种经净化的空气12被送入单元3的下游部分，该单元特别地包括低温蒸馏单元。再生气体14来自该低温蒸馏单元。在接近大气压力的低压下，再生气体一般是不纯的氮气(即含有氩气和氧气)。该气体-或该气体的一定分数-在加热步骤期间使用一个或多个热交换器(蒸汽、电、通过从其他流体回收热量等)加热，然后用于冷却吸附器。输出13、在此考虑的一般是不纯的氧气(90-98％)被送到未示出的下游单元。
关于流体的进入和取出，可能存在以下一个或多个特征：
·流体经由一个或两个侧面水平地引入体积V1(或可能视情况而定的子体积V11)中或从其中取出。
·流体经由一个或两个侧面水平地引入体积V3(或可能视情况而定的子体积V32)中或从其中取出。
·流体经由构成平行六面体的顶部或底部的一个或两个水平面竖直地引入体积V1(或可能视情况而定的子体积V11)中或从其中取出。
·流体经由构成平行六面体的顶部或底部的一个或两个水平面竖直地引入体积V3(或可能视情况而定的子体积V32)中或从其中取出。
在另一个变型中，流体经由平行六面体的(具有截面L*H的)大面引入或取出。在后一种情况下，流体从入口到出口基本上沿直线循环通过吸附器(V1、V2、V3)。这特别意味着流体在其进入吸附器与其水平地穿过吸附剂体积之间的方向没有突然变化(约90°)。
当流体在吸附器中水平地循环时，经历一些特定于径向吸附器的限制，特别是需要避免吸附器的顶部部分中的杂质的过早突破。所述突破可以源自旁路或局部空气流动和/或再生故障。
旁路本身可以源自吸附剂的压实。这些问题对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且在此将应用先前开发的解决方案。特别地，如上所述，由于其几何形状，使用平行六面体吸附器简化了为径向床(用吸附剂填充到足够高度的死空间，相当于圆锥体等)设想的解决方案的实施。同样，必须注意的是，填充也被简化了，并且在此通过喷洒容易获得密实、均匀的填充，既限制了压实又限制了床中密度不均匀的风险。
由于简单的几何形状，例如可以使用气球，其充气到大于P1的压力，在吸附剂的自由表面上方形成密封。通过相对于操作压力的轻微超压，膜也可以永久地施加到吸附剂的自由表面。这种超压可能源自流体、例如仪表空气或重材料。再一次，针对使用吸附来产生氧气的单元的径向吸附器开发的解决方案应当适于适合。
下面的示例将说明刚刚描述的本发明。
该示例涉及使用15,000Nm3/h的空气流量生产100t/d(吨/天)量级的氧气生产单元。离开第一压缩级时的压力P1为1.3巴绝对值。此空气通过制冷单元冷却至3℃，以限制携带至净化的水蒸气的量并降低吸附温度。在此，此温度处于所使用的温度水平的低范围内。选择此温度主要是因为P1的值较低。可以采用5℃到8℃的温度，特别是如果压力P1稍高时。最终决定是基于一般成本分析。应用的吸附时间为150分钟，考虑到净化单元通常包括2个吸附器，一个处于生产而另一个处于再生，产生了5小时的循环时间。在此，可以减少这些常规时间。应用的低温工艺产生了可以用于再生的大量废气流动的可用性，这将有可能使得可以缩短通常的加热和冷却时间。此外，考虑到相应的生产压力(1.3巴绝对值)和再生压力(1.03巴绝对值)，减压和再加压步骤几乎是不必要的。然而，活性氧化铝床和沸石床的小厚度(0.25m的量级)并没有产生进一步采用的可能优化。可以设想生产时间为120分钟、90分钟或甚至60分钟，其中待净化的空气可选地在高于本示例中应用的3℃的温度下引入。考虑到在低压下压头损失涉及大量能量，可以设想基于整个所述步骤中的压头损失的优化来安装用于调节再生流量的元件。换言之，当吸附器相对较冷时，例如在加热开始和冷却结束时，采用较高的流量，相反，当吸附器平均而言最热时，采用较低的流量。更简单地，还可以施加第一流量用于加热并在冷却期间施加较低的第二流量。
吸附剂的总体积为6m3的量级，在实践中在活性氧化铝与钙和钡交换型沸石X之间对半分，该沸石是捕获痕量的碳氢化合物和氮氧化物的特别有效的吸附剂。
根据本发明，每个吸附器为长度L等于5.75m、高度H等于2.9m、以及宽度l等于1.00m的平行六面体形式。
吸附剂的工作高度为2.1m。防污染系统在顶部部分设置有吸附剂储备以补偿压实，并且设置有10个管，分别用于用活性氧化铝和沸石填充体积V21和V22。流体通过侧面进入和排出。在这种情况下，存在的是箱结构，它们本身是平行六面体、邻接布置在实际吸附器本身的每侧。
在这种情况下，入口体积V1和出口体积V3没有分成子体积。由于流体的速度足够低，它们中的每个可用的宽度(0.25m)允许直接引入。
两个吸附器相邻定位，在彼此面对的表面之间具有隔热屏障。这种屏障可以简单地由空气膜构成。一种变型可能是仅保留将两个吸附器分开的共同分隔壁，并且在每侧使用内部隔绝件。这种类型的隔绝件是有利的，因为与隔绝件接触的循环流体是干燥的(经净化的空气、再生氮气)。吸附器对称地创建，使得第一吸附器的体积V3A和第二吸附器的体积V3B在中心部分相邻(如果采用该解决方案，则不考虑隔绝屏障)。
本描述将使用分别描绘了穿过安装的两个吸附器的横截面和纵截面的[图4]和[图5]进行解释。
因此，[图4]描绘了两个吸附器A和B。各个附图标记1'对应于它们的外壳。它们由提供隔热件的屏障2'分开。此屏障限制了再生流的热量损失和经净化的空气的加热。根据压力P1和吸附器的尺寸，该屏障可以具有机械加强件以增加吸附器的大(L*H)面的刚度。如已经描述的，存在许多其他不同的方式来实现这种隔绝。附图标记3'对应于体积V1A和V1B，这些体积旨在用于供应待净化的空气和提取再生气体。同样，附图标记4’应用于净化空气出口和再生气体入口。体积V21A和V21B 5’容纳活性氧化铝，体积V22A和V22B 6'容纳交换型沸石。壁(7’、8’、9’)对这些气体而言是可渗透的，但相对于吸附剂颗粒是密封的。这些壁是筛网或穿孔片材，它们覆盖有金属丝网，其网目尺寸小于颗粒的最小直径。也可以选择专门为这种类型的应用开发的筛网，即“楔形丝筛网”型筛网，通常也以供应商的名称称为Johnson筛网。附图标记10'、11'、12'和13'对应于旨在补偿吸附剂的压实并避免杂质的局部绕过的系统。从吸附器的一端延伸到另一端的矩形金属片材10’界定了填充有吸附剂的保护床11’。片材与水平面的角度允许颗粒穿过空的空间13'，以完全填充位于此片材下方的体积。吸附器经由管12'填充，这些管在其顶端具有密封凸缘。
图5穿过吸附器A和B的纵截面，吸附器B是处于再生模式的吸附器A。它可以用于跟踪各种流体所遵循的路径。假设吸附器A处于生产阶段。待净化的空气20’经由附接到吸附器A的一端的集总罐14’进入。此空气被分配到体积V1A中，部分地是因为由吸附器的侧向外壁引起的偏转器效应。从那里，此空气依次穿过外部可渗透壁、活性氧化铝床5'、中间可渗透壁、沸石床6'和内部可渗透壁。经净化的空气21'被收集在体积V3A中，然后进入集总罐15'，之后离开系统。另一个吸附器B此时处于再生阶段。再生气体30’经由集总罐15’进入此吸附器，并且遵循与空气路径相反的路径，并且经由集总罐14’离开。在此选择使热的再生气体经由由两个吸附器构成的器件的中心进入。这种构型不是强制性的，并且考虑到不可避免的热膨胀，可以采用另一种布置。只描绘了用于让流体进出吸附器的一个管。根据安装，提供两个不同的管(一个用于空气，而另一个用于再生流体)可能更合理。
注意，这些附图中没有描绘吸附器出口侧的过滤器。通常，在这种类型的应用中，过滤器将结合到吸附器中。回想一下这是可能的，因为考虑到流体在吸附与再生之间循环的方式，这些过滤器是自清洁的，也就是说它们在每个循环期间自动疏通自己。优选地，过滤器位于集总罐15’中。过滤器优选地是平面的。
在吸附器的构造中使用低压技术的益处之一是易于在车间与安装现场之间运输。然而，这种设施强加了许多尺寸限制。因此，吸附器优选地具有以下特征：
-在2米和15米之间的长度L；在1米和3米之间的高度H；以及在0.5米和3米之间、优选地在0.8米和1.5米之间的宽度l。
理论上，吸附器的宽度、更具体地吸附剂层的厚度应当受到限制，从而使所述吸附剂上的压头损失保持非常小，为几毫巴的量级，可能大约为十毫巴左右。
这意味着两个吸附器实际上可以邻接定位，总长度不超过大约3m。
这些需要遵守的关于吸附器最大尺寸的限制意味着由刚描述的TSA单元净化的空气的流量是有限的，根据净化所采用的确切条件，可能在大约30Nm3/h至50,000Nm3/h。因此，如果要增加超过上述流量，则需要并行安装多个相同的单元。
如上文所述，此吸附单元位于低温蒸馏单元的上游。此单元特别适用于低压氧气生产，特别是适用于纯度在90％和98％之间的氧气的生产。
根据本发明的设备还使得可以有竞争力地生产小单元，即每天生产几十到几百吨的氧气。压缩装置1然后可以被可选地不同类型(用于燃烧、用于通风等的增压空气)的若干单元共用。

Claims (16)

1.一种空气气体分离设备，该空气气体分离设备在该空气流的循环方向上包括：
-压缩装置(1)，该压缩装置使得能够将该空气流压缩到1.15巴绝对值和2巴绝对值之间的压力P1，
-TSA型吸附单元(2)，以及
-低温蒸馏单元(3)，
其中该吸附单元包括至少两个吸附器A和B，每个吸附器具有水平地布置的平行六面体壳体并且包括：
-空气流入口和空气流出口，
-固定床吸附剂块，该固定床吸附剂块同样为平行六面体形状，该固定床吸附剂块的面平行于该壳体的面；以及
-一组体积，该组体积允许该空气流在该吸附剂块的整个截面上并贯穿其整个厚度水平地穿过该吸附剂块。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备在该压缩装置(1)与该低温蒸馏单元(3)之间包括单个吸附单元。
3.如权利要求1和2之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，该组体积包括：
-用于引入和分配该空气流的第一体积V1；
-包含该吸附剂块的第二体积V2；以及
-用于回收经净化的空气流的第三体积V3；
这三个体积是邻接的并且经由它们共用的面而流体连通。
4.如权利要求3所述的空气气体分离设备，其特征在于，该第二体积V2包括容纳不同吸附剂的至少两个子体积。
5.如权利要求3和4之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，该体积V1和/或该体积V3分别包括子体积V11至V12和V31至V32，这些子体积由改善流体分布的穿孔壁分开。
6.如权利要求3至5之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，这些体积V1或V11和V3或V32各自具有可渗透这些流体的至少一个面，并且该吸附器包括与这些可渗透面邻接的流体分配集总罐和流体回收集总罐。
7.如权利要求1至6之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，该吸附单元包括N对吸附器，其中N≥1，每对吸附器包括邻接定位以形成单个平行六面体的吸附器A和吸附器B。
8.如权利要求7所述的空气气体分离设备，其特征在于，每对吸附器包括处于吸附模式的吸附器A和处于再生模式的吸附器B，其中处于吸附模式的所有吸附器并行地操作，并且处于再生模式的所有再生吸附器并行地操作。
9.如权利要求7和8之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，每个吸附器A或B、或该A/B吸附器对被安装在ISO容器内或安装在具有符合ISO标准的尺寸和提升布置的容器内。
10.如权利要求7至9之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，这些吸附器A和B在它们的面的至少一部分上包括外部或内部隔热件。
11.如权利要求7至10之一所述的空气气体分离设备，其特征在于，该吸附器A和/或该吸附器B的壳体具有：
-在2米和15米之间的长度L；
-在1米和3米之间的高度H；以及
-在0.5米和3米之间、优选地在0.8米和1.2米之间的宽度l。
12.一种用于从含有选自水蒸气、二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的至少一种杂质的空气流中分离空气气体的方法，该方法使用如权利要求1至10之一所限定的设备并且包括以下相继的步骤：
a)将该空气流压缩(1)到1.15巴绝对值和2巴绝对值之间的压力P1，
b)使用该TSA单元(2)通过吸附来净化经压缩的空气流，以去除包含在该空气流中的至少一种杂质，以及
c)使用该单元(3)通过低温蒸馏来分离该空气流的成分，
其中步骤b)全部在该压力P1下进行。
13.如权利要求12所述的用于分离空气气体的方法，其特征在于，该压力P1在1.15巴绝对值和1.5巴绝对值之间、优选地在1.20巴绝对值和1.30巴绝对值之间。
14.如权利要求12和13之一所述的用于分离空气气体的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求3至5之一所限定的设备，并且在步骤b)中，该空气流被引入该体积V1或该子体积V11中，并且经净化的空气流从该体积V3或从该子体积V32中取出。
15.如权利要求14所述的用于分离空气气体的方法，其特征在于：
-所采用的设备在其吸附单元中包括N对吸附器A和B，其中N≥1，其中每对的吸附器邻接定位以形成单个平行六面体，并且每对吸附器包括处于吸附模式的一个吸附器A和处于再生模式的一个吸附器B，
-该方法包括使该吸附器B再生的附加步骤d)，并且
-在步骤b)中，在处于吸附模式的每个吸附器A中，该空气流引入每个体积V1或子体积V11中，并且从每个体积V3或子体积V32中取出经净化的空气流，并且在步骤d)中，在处于再生模式的每个吸附器B中，再生流引入每个体积V3或子体积V32中、然后从每个体积V1或子体积V11中取出。
16.如权利要求14和15之一所述的方法，其特征在于，该空气流或该再生流优选地经由各体积V1、V11、V3和V32的位于该吸附器A或B的平行六面体形状的侧面中的侧面、或者经由其位于该吸附器A或B的平行六面体形状的基部的侧面引入这些体积中或从其中取出。
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