CN1198103A - 利用压力摇摆吸附处理气体混合物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

以这样一种方式制定每个吸附器(1、2)的尺寸,以致于它基本以绝热模式中运行,并且其作为与大量吸附剂(6)的出口侧端连通的空体积的生产死体积(27)在大量吸附剂体积的约10%与约60%之间。适用于从空气生产氧气。

Description

利用压力摇摆吸附处理气体混合物的方法和设备
本发明涉及一种利用压力摇摆吸附处理气体混合物的方法，采用该类型的方法，在含有大量吸附剂的至少一个容器中，完成一个循环，该循环包括：(a)一个生产阶段，其中混合物在所谓的顺流方向从容器称作进口的一端循环到容器称作出口的另一端，和(b)一个再生吸附剂阶段，该阶段利用一方面在其出口侧且除顺流方向的大量吸附剂之外具有称作生产死体积的空体积、和另一方面在其进口侧在顺流方向的大量吸附剂之前具有称作供给死体积的空体积的容器，生产死体积与大量吸附剂的出口侧端永久连通，而供给死体积与大量吸附剂的进口侧端永久连通。
本发明特别适用于由空气生产富氧空气，具体地说含有至少90％的氧气。
本发明提到的压力是绝对压力。
说法“压力摇摆吸附”(PSA)要在宽广的意义上理解，就是说，循环的高压大于或等于大气压力而循环的低压小于或等于大气压力。
众所周知，PSA方法的性能可以通过多个因素估计，在上述实例中的因素如下：
-回收率，是生产的气体(如氧气)体积与在被处理的气体混合物中所含所述气体的体积之比值(在标准温度和压力条件下测得的体积)；
-生产率，是在单位时间内单位体积的吸附剂生产的气体质量(单位：m3(stp)/h.m3)；
-比能，是在标准温度和压力条件下测得的、每单位体积的生成气体消耗的能量(单位：kWh/m3(stp))；及
-投资，是实现该方法的标准设备的成本(单位：FF)。
当改变PSA设备的参数时，上述四个因素一般以不同的方式受到影响。因此，预计生成气体(特别是氧气)的最终成本特别困难，特别是由于多个相对不好理解的物理现象，如吸附/解吸动力学，受到影响。
生成气体的成本C由如下公式定义：
C＝((ES×pe)+(cc×I))/PA
其中
ES代表比能
pe代表能量价格
cc代表不仅包括折旧而且也包括维护、税收等的造价
I是投资，及
PA是年产量。
C因而代表生成气体的单位成本。
本发明的目的在于，以一种对于设计和使用设备特别便利和简单的方法，能够得到低的生产成本，特别是使费用在比能方面最小和/或减小投资。
为此目的，本发明涉及一种上述类型的方法，其中：
-把比值S/V选择为小于6m-1的值，其中S表示包括大量吸附剂和两个死体积的组件的外部热交换表面积，而V是同一组件的体积；及
-把生产死体积选择为在大量吸附剂体积的约10％与60％之间的值。
如果对于生成气体的给定成本，希望使比能方面的费用最小，则便利地把生产死体积选择为接近大量吸附剂体积的10％。
然而，如果意图是偏爱低投资，则便利地把生产死体积选择为接近大量吸附剂体积的60％。
本发明还涉及一种意图在于实现上述方法的设备。
这种类型的设备包括至少一个容器，这种容器装有大量的吸附剂并限定一个在生产阶段混合物经其进入的进口、和一个生成气体经其排出的出口，利用一方面在其出口侧且除顺流方向的大量吸附剂之外具有称作生产死体积的空体积、和另一方面在其进口侧在顺流方向的大量吸附剂之前具有称作供给死体积的空体积的容器，在吸附阶段期间，混合物经该容器在所谓的顺流方向循环，生产死体积与大量吸附剂的出口侧端永久连通，而供给死体积与大量吸附剂的进口侧端永久连通，这种设备是这样一种设备，其中：
-把比值S/V选择为小于6m-1的值，其中S表示包括大量吸附剂和两个死体积的组件的外部热交换表面积；及
-生产死体积具有在大量吸附剂体积的约10％与60％之间的值。
具体地说，吸附剂可以是包括至少一种5A或LiX类型沸石的分子筛。
而且，该设备可以包括一个、两个或三个相同的容器。
参照附图现在将描述本发明的说明性实施例，其中：
-图1示意地表示根据本发明的设备；及
-图2是曲线图，说明在图1的设备中实现的循环。
图1表示的设备是用于以至少等于90％的纯度由空气生产氧气。它基本包括两个相同的吸附器1和2、一个压缩机3、一个真空泵4及一组管道和阀。它还包括能使下述循环自动进行的通常调节和控制装置。
在图1示意表示的实施例中，每个吸附器1和2都包括一个带有竖轴线的、大体为圆柱形的罐5，在罐5中大量吸附剂或吸附剂床6保持在一个下水平进口栅7与一个上水平出口栅8之间。这样，在栅7与罐的进口或下端10之间有一个自由空间9，而在栅8与罐的出口或上端12之间有另一个自由空间11。
压缩机或鼓风机3吸入空气，并且在适当的过压下把它输送给一根供气管道13，管道13经各管道14连接于两个吸附器的进口10，每个管道14装有一个阀15。类似地，泵4的进气口连接到一根清除管道16上，清除管道16本身经各管道17连接到两个进口10，每个管道17装有一个阀18。对于每个吸附器，管道14与管道17接合形成一根进入进口10的管道19。
一根装有阀21的生产管道20从每个吸附器的出口12引出。一根装有阀23的平衡管道22和一根装有阀25的洗提管道24并联连接在两根管道20的诸点上，两根管道20相对于对应吸附器生产阶段的气流方向位于阀21的上游。在阀21的下游，管道20接合形成一个生产管道25。
对于每个吸附器，限定了在图1中用虚线表示的一个“供给死体积”或FDV 26、以及一个“生产死体积”或PDV 27。
FDV 26是永久地与床6的进口端连通的体积。在表示的实例中，因此它是阀15下游管道14的体积、阀18上游(相对于抽吸方向)管道17的体积、管道19和自由进口空间9之和。
类似地，PDV 27是管道20在罐5的出口12与阀21之间的、管道22在管道20与阀23之间的、管道24在管道20与阀25之间的、和自由出口空间11的体积之和。
以这样一种方式选择设备中吸附器1与2和管道的尺寸和配置，从而对于每个吸附器满足如下两个关系：
(1)比值S/V小于6m-1，其中S表示包括吸附剂床6和死体积26和27的组件的外部热交换表面积，和/或V是同一组件的体积。这一尺寸的目的在于保证吸附器基本上绝热地运行。
(2)FDV 27与吸附剂床6的体积的比值约在10％与60％之间。
在实际中，可以完全对称地生产该设备。
利用这种设备，在每个吸附器中建立参照吸附器1在图2中表示的一个循环。如果T表示该循环的持续时间，则通过时移T/2由此导出吸附器2的操作。在讨论的实例中，T＝80秒。
在图2中，时间t画在横坐标上而绝对压力P画在纵坐标上，用箭头指明方向的线表示来自和到吸附器的气流运动和目的地。
对于一个吸附器，例如对于吸附器1，参照图1和2，现在将描述完整循环的一个实例。在图2的实例中，该循环在两个极端压力之间进行，即一个位于大气压与约2×105Pa之间、并且更一般地是在约1与1.6×106Pa之间的高的或最大压力PM，和一个在约0.2×105Pa与0.5×105Pa之间的小的或最小压力Pm。
借助于图示表示的循环依次包括如下步骤：
(a)从t＝0至t2，一个压力从中间压力P1变到循环的高压PM的吸附阶段，P1小于PM约0.1×105Pa。在这个阶段，借助于压缩机3在吸附器的进口处引入要处理的空气。
这一阶段包括一个从t＝0至t1的第一步骤(a1)和一个从t1至t2的第二步骤(a2)，在第一步骤(a1)中把所有离开吸附器出口的气体送到生产管道25，而在第二步骤(a2)把一些生成气体进一步逆流送到其他吸附器，然后进行下述的洗提步骤(b3)。
(b)从t2至t5，一个再生阶段包括：
-从t2至t3，一个第一顺流减压步骤(b1)，在下述的第一逆流减压步骤(b4)中把减压气体逆流送到其他的吸附器。在t3处，压力PE1＜P1。
-从t3至t4，一个通过使用泵4的逆流抽吸而清洗的步骤，到循环的低压Pm；
-从t4至t5，一个洗提/抽吸步骤，可选择地伴随有压力的稍微升高。在这一步骤期间，如上看到的那样，吸附器从正在进行生产步骤(a2)的其他吸附器逆流接收生成气体。
(c)从t5至T，一个再压缩阶段包括
-从t5至t6，一个到压力PE2＜PE1的第一逆流再压缩步骤(c1)，使用来自正在进行步骤(b1)的其他吸附器的第一顺流减压的气体；及
-从t6至T，一个使用要处理的空气的最终顺流再压缩步骤(c2)，不抽取生成气体，使用压缩机3达到压力P1。
进行模拟以估计上述的性能因素。在下面的表I和II中，对于生成气体中93％氧气水平，比较了结果，其中对用于10％PDV的所有因素采用了100的基数。
模拟首先处理一种基本等温的操作模式，就是说上述的比值S/V显著大于6。结果表示在下面的表I中。
                                     表I
  PDV(％)   回收率   生产率    比能     投资 氧气成本
    10％     100     100     100     100   100
    40％     94     102     107     101   103
可以看出，该方法的生产率通过使生产死体积扩大四倍稍有改进。然而，回收率下降到如此程度，以致于显著损害了比能。投资基本保持相同，这就导致生产的氧气成本增大。
这与由Ralph T.Yang在Butterworths Series in ChemicalEngineering，Butterworths，1987中的著作“利用吸附过程的气体分离”所示的一致。
然后，模拟处理以上解释的基本绝热的操作模式，就是说比值S/V远小于6，具体地等于3。结果表示在下面的表II中
                                 表II
   PDV(％)   回收率   生产率     比能     投资   氧气成本
    5％     100     97     100     103     102
    10％     100     100     100     100     100
    40％     98     106     102     98     99
    60％     96     111     105     97     100
    80％     92     112     110     98     102
意想不到的是，在基本绝热的模式中，通过增大PDV大大地提高了生产率，尽管回收率的有关下降远不如在基本等温模式操作中明确。这或许是由于如下的双重现象。一方面，较大PDV体积的存在引起可用于洗提的气体体积增大。另一方面，吸收的热量加热吸附剂床的端部以及上述的气体体积。总之，这有助于再生。
在经济性方面，在循环性能中的这一双重变化导致生产死体积的一个范围，在该范围中生产的氧气成本最低。这里，最佳的区域很清楚[10％；60％]。那么在这个范围中，就能够改善设备的能量(PDV＝10％)或成本(PDV＝60％)。因而，容易根据用户的希望和地方能量成本条件，使该工业装置得到具有最高性能的方法。
以上结果用一种实验装置用实验证实，比值S/V＝2，如下表所示。
                                 表III
   PDV(％)   回收率   生产率     比能    投资 氧气成本
    10％     100     100     100     100     100
    20％     100     103     100     98     99
就氧气生产来说，本发明适用于各种可用吸附剂(特别是5A或LiX类型的分子筛)，适用于包括多于或少于两个吸附器的设备，及适用于通常在PSA设备中得到的在约90与95％之间的各种氧气纯度。
应该注意，如果在吸附剂床6之前是一个第二吸附剂床，特别是矾土，主要打算将进来的空气脱水，则应该认为这一第二床形成供给死体积的一部分，因为相应的体积不参与希望的N2/O2分离。

Claims (10)

1.一种利用压力摇摆吸附处理气体混合物的方法，在该类型的方法中，在含有大量吸附剂(6)的至少一个容器(5)中，完成一个循环，该循环包括：(a)一个生产阶段，其中混合物在所谓的顺流方向从容器称作进口的一端(10)循环到容器称作出口的另一端(12)，和(b)一个再生吸附剂阶段，该阶段利用一方面在其出口侧且除顺流方向的大量吸附剂之外具有称作生产死体积(27)的空体积、和另一方面在其进口侧在顺流方向的大量吸附剂之前具有称作供给死体积(26)的空体积的容器，生产死体积(27)与大量吸附剂的出口侧端永久连通，而供给死体积(26)与大量吸附剂的进口侧端永久连通，其中
-把比值S/V选择为小于6m-1的值，其中S表示包括大量吸附剂(6)和两个死体积(26、27)的组件的外部热交换表面积，而V是同一组件的体积；及
-把生产死体积(27)选择为在大量吸附剂(6)体积的约10％与约60％之间的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中为了减小比能方面的费用，把生产死体积(27)选择为接近于大量吸附剂(6)的10％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中为了减小投资费用，把生产死体积(27)选择为接近于大量吸附剂(6)的60％。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中气体混合物可选择地是脱水空气，并且生成气体是富氧空气。
5.根据权利要求4所述的方法，其中生成气体含有至少90％的氧。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中再生阶段包括一个抽空容器(5)的步骤((b2)、(b3))。
7.一种利用压力摇摆吸附处理气体混合物的设备，这种类型的设备包括至少一个容器(5)，容器(5)装有大量的吸附剂(6)并限定一个在生产阶段混合物经其进入的进口(10)、和一个生成气体经其排出的出口(12)，利用一方面在其出口侧且除顺流方向的大量吸附剂之外具有称作生产死体积(27)的空体积、和另一方面在其进口侧在顺流方向的大量吸附剂之前具有称作供给死体积(26)的空体积的容器，在吸附阶段期间，混合物经该容器在所谓的顺流方向循环，生产死体积与大量吸附剂的出口侧端永久连通，而供给死体积与大量吸附剂的进口端侧永久连通，其中：
-比值S/V为小于6m-1的值，其中S表示包括大量吸附剂(6)和两个死体积(26、27)的组件的外部热交换表面积，而V是同一组件的体积；及
-生产死体积(27)具有在大量吸附剂(6)体积的约10％与约60％之间的值。
8.根据权利要求7所述的设备，其中吸附剂是包括5A或LiX类型沸石的分子筛。
9.根据权利要求7或8所述的设备，包括一个、两个或三个相同的容器(1、2)。
10.根据权利要求7至9任一项所述的设备，包括一个设计成连接到容器(5)的进口(10)上的真空泵(4)。
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