CN1273375C - 浓缩氧气的回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种浓缩氧气的回收方法，根据使用填充有吸附剂的单一吸附塔(1)进行的单塔式的PSA法，浓缩并回收原料气中所含有的气体状的氧，其中，反复进行包括以下工序的循环：将原料气体导入吸附塔(1)的吸附工序；使吸附剂所吸附的不要成分从吸附剂中脱离的脱离工序；向吸附塔(1)导入洗净气体、并排出残留于吸附塔(1)内的残留气体的洗净工序；提升吸附塔(1)内的压力的升压工序。脱离工序包括在吸附工序结束时将吸附塔(1)内的准富含氧气体回收于回收槽(3)中的工序。洗净工序包括将回收槽(3)中的准富含氧气体的一部分作为洗净气体导入吸附塔(1)的工序。升压工序包括将回收槽(3)中的剩余的准富含氧气体导入吸附塔(1)的工序。

Description

浓缩氧气的回收方法
技术领域
本发明涉及通过压力回旋吸附法(PSA法)浓缩并回收含有氧的原料气中的该氧的方法。
背景技术
通过PSA法所得到的富含氧的浓缩氧气，被广泛应用于要求连续供给氧的技术、例如电炉制钢、水处理氧曝气、纸浆漂白、臭氧发生装置等中。近年来，在焚化技术领域中，以焚化炉残量物的溶融化、排放气体的低NOX化、化学反应的高效率化等为目的，多数情况是采用在浓缩氧气中燃烧的办法，以代替在空气中燃烧的办法。而且，在发酵等的生化领域中，也广泛利用浓缩氧气。
就PSA法来说，一般是使用具备2塔以上吸附塔的装置的多塔式PSA法。多塔式PSA法，是在各吸附塔中反复进行吸附工序、脱离工序、升压工序等。在吸附塔之间，这些工序是错开时间进行的。针对多塔式PSA法及该法所使用的装置，进行了各种改进试验。例如，特开平8-239204号公报公开的方法是，将完成吸附工序的吸附塔内的压力利用于其它的吸附塔的升压。
另一方面，从装置整体的小型化及简单化、降低成本等观点来看，使用只具备1个吸附塔的装置的单塔式PSA法也是众所周知的。根据作为产品所得到的氧气的量和纯度等观点，针对该单塔式PSA法及该法所使用的装置，进行了各种改进试验。例如，特开平9-29044号公报公开的方法是，将吸附工序完成后的滞留于吸附塔的气体回收于另外设置的回收槽中，在脱离工序完成后，再将该回收气体导入吸附塔中，由此进行吸附塔的洗净。
可是，这些公报所记载的方法和其它现有的单塔式PSA法，不能说浓缩氧气的取得率是充分的，还存在改进的余地。
发明内容
本发明是鉴于上述这样的情况而研究出的，其目的在于提供一种浓缩氧气的回收方法，在通过单塔式PSA法制得浓缩氧气时，提高浓缩氧气的取得率。
根据本发明的第1方面，提供一种通过在填充吸附剂的同时、使用具有原料气体入口和制品气体入口的单一吸附塔进行的单塔式的压力回转吸附法、浓缩并回收原料气体中所含有的气体状的氧的方法。在该方法中，反复进行包括以下工序的循环：将原料气体导入吸附塔、使原料气体中所包含的不要气体成分吸附于吸附剂中之后、从吸附塔中导出富含氧气体的吸附工序；通过降低吸附塔内的压力、使吸附剂所吸附的不要气体成分从吸附剂中脱离出去的脱离工序；向吸附塔导入洗净气体、并排出残留于吸附塔内的残留气体的洗净工序；提升吸附塔内的压力的升压工序。脱离工序包括：在吸附工序后、紧接着通过制品气体出口回收存在于吸附塔内的准富含氧气体并将之保持于回收槽中的同时、在减压条件下使气体状的所述不要气体成分从所述吸附剂脱离并通过原料气体入口排出的第1脱离工序；和，在该第1脱离工序后、紧接着在关闭制品气体出口的状态下、在减压条件下使不要气体成分从吸附剂脱离并通过原料气体入口排出的第2脱离工序。洗净工序包括：在将富含氧气体的一部分作为洗净气体通过制品气体出口导入至吸附塔中的同时、通过原料气体入口排出残留在吸附塔内的残留气体的第1洗净工序；和，在将保持于回收槽中的准富含氧气体的一部分作为洗净气体通过制品气体出口导入至吸附塔中的同时、通过原料气体入口排出残留于吸附塔内的残留气体的第2洗净工序。升压工序包括通过将保持于回收槽中的剩余的准富含氧气体通过制品气体出口导入吸附塔进而提升吸附塔内的压力的工序。
优选为，在洗净工序中导入至吸附塔中的准富含氧气体的量、与在升压工序中导入至吸附塔中的准富含氧气体的量的分配比，在换算为标准状态的容积基准情况下，为65∶35～97∶3。更优选为，在换算为标准状态的容积基准情况下，分配比为75∶25～93∶7。
根据本发明的第2方面，提供一种通过使用填充有吸附剂的单一吸附塔进行的单塔式的压力回转吸附法、浓缩并回收原料气中所含有的气体状的氧的另外方法。在该方法中，反复进行包括以下工序的1个循环：将原料气体导入吸附塔、使原料气中所包含的不要气体成分吸附于吸附剂中之后、从吸附塔中导出富含氧气体的吸附工序；在吸附工序后、紧接着回收存在于吸附塔内的准富含氧气体并将之保持于回收槽中、进行减压、将吸附剂所吸附的不要气体成分脱离出去并排出吸附塔的第1脱离工序；在不回收准富含氧气体的情况下、通过降低吸附塔内的压力、将吸附剂所吸附的不要成分从吸附剂中脱离出去并排出吸附塔的第2脱离工序；在向吸附塔导入富含氧气体的一部分作为洗净气体的同时、排出残留于吸附塔内的残留气体的第1洗净工序；在将保持于回收槽中的准富含氧气体的一部分作为洗净气体导入至吸附塔中的同时、排出残留于吸附塔内的残留气体的第2洗净工序；通过将保持于回收槽中的剩余的准富含氧气体导入吸附塔进而提升吸附塔内的压力的升压工序。
在本发明的浓缩氧气的回收方法中，在吸附工序结束后，回收存在于吸附塔内的准富含氧气体，将该气体利用于吸附塔内的洗净和升压两个方面。根据这样的结构，与将所回收的准富含氧气体只用于吸附塔内的洗净时、或者只用于吸附塔内的升压时相比较，可以提高最终所得到的浓缩氧气的取得率，这已得到本发明人的确认。
在洗净工序中导入至吸附塔中的准富含氧气体的量、与在升压工序中导入至吸附塔中的准富含氧气体的量的分配比，在换算为标准状态的容积基准情况下，为65∶35～97∶3，更优选为75∶25～93∶7，此时可以达到特别高的取得率，这已得到本发明人的确认。
附图说明
图1表示本发明的用于实现浓缩氧气回收方法的PSA分离装置的概略结构。
图2是表示本发明的浓缩氧气回收方法的各步骤中的、图1的PSA分离装置的各自动阀门的开闭状态的表。
图3A～3F是与各步骤相对应的气体的流程图。
图4是针对实施例和比较例揭示诸条件和数据的表。
图5是表示实施例和比较例的结果的图表。
具体实施方式
以下，参照附图具体说明本发明的优选实施方式。
图1表示本发明的用于实现浓缩氧气回收方法的PSA分离装置X的概略结构。PSA分离装置X具有吸附塔1、制品气体缓冲槽2和回收槽3。
吸附塔1具有制品气体出口1a和原料气体入口1b，在其内部填充有吸附剂。就吸附剂来说，可以使用Li-X型沸石分子筛、Ca-X型沸石分子筛、Ca-A型沸石分子筛等。
吸附塔1的制品气体出口1a借助于制品气体回收用的第1连接管4a和制品气体供给用的第2连接管4b与制品气体缓冲槽2连接在一起，并且借助于后述的准富含氧气体用的第3连接管4c与回收槽3连接在一起。
吸附塔1的原料气体入口1b借助于共用的第4连接管4d、原料气体供给用的第5连接管4e和第6连接管4f与原料供给部7连接在一起，并且借助于第4连接管4d、脱离气体排出用的第7连接管4g和第8连接管4h与脱离气体回收部8连接在一起。
制品气体缓冲槽2借助于制品气体回收用的第9连接管4i与制品气体回收部9连接在一起。
在制品气体回收用的第1连接管4a上设置有自动阀门5a，在制品气体供给用的第2连接管4b上设置有自动阀门5b和流量调节阀门6a。在准富含氧气体用的第3连接管4c上设置有自动阀门5c和流量调节阀门6b。在原料气体供给用的第5连接管4e和第6连接管4f、以及脱离气体排出用的第7连接管4g和第8连接管4h上，分别设置有自动阀门5d、5e、5f、5g。在共用的第4连接管4d上设置有布氏泵BP。
通过适当切换各自动阀门5a～5g的开闭状态来调节第1～9连接管4a～4i中的气体的流动状态。按照自动阀门5a～5g的切换状态，在吸附塔1中反复进行给定次数的吸附工序、脱离工序、洗净工序和升压工序的一连串工序。吸附工序是在高压下进行的，以吸附剂来吸附不要气体为目的。脱离工序是在低压下进行的，以从吸附剂中脱离出不要气体为目的。洗净工序是将滞留于塔内的脱离气体排出去。升压工序是提升吸附塔1的内部压力，为吸附工序做准备。
在本实施方式中，使用如上所述那样构成的PSA分离装置X从原料气体中除去不要成分，得到富含氧的制品气体、即浓缩氧气。在吸附塔1中，以图2所示的步骤1～6为1个循环，并反复进行这样的循环。图2表示各步骤中的各自动阀门5a～5g的开闭状态。图3A～3F分别表示与各步骤相对应的气体的流动状态。用粗箭头表示气体流。
在步骤1中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3A所示的气体流动状态，进行吸附工序。
如图1和图3A所示，吸附塔1与原料气体供给部7处于连通状态。并且，吸附塔1借助于制品气体缓冲槽2与制品气体回收部9处于连通状态。因此，预先准备在原料气体供给部7中的原料气体、例如空气，由于布氏泵的运转而通过第5连接管4e、第3连接管4d和第6连接管4f，从原料气体入口1b被导入至吸附塔1中。此时，吸附塔1的内部压力例如定为30～100kPa(表压)。在吸附塔1的内部，由吸附剂吸附除去原料气体中所含的不要成分例如氮气。其结果，氧浓度高的气体、即富含氧气体通过制品气体出口1a被导出至吸附塔1的外部，作为制品气体。该制品气体通过第1连接管4a被送至制品气体缓冲槽2中。制品气体一旦滞留于制品气体缓冲槽2后，就依次通过第9连接管4i回收至制品气体回收部9中。在本工序结束时，制品气体的一部分继续滞留于制品气体缓冲槽2中。
在步骤2中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3B所示的气体流动状态，进行脱离工序。
如图1和图3B所示，吸附塔1与回收槽3处于连通状态。由于吸附塔1首先进行吸附工序，所以其内部压力高达例如30～100kPa(表压)。与此相反，回收槽3的内部压力在本工序的初期状态相对较低地维持在例如-80～-10kPa(表压)。因此，由于吸附塔1和回收槽3之间的压力差，存在于吸附塔1内的氧浓度较高的气体、即准富含氧气体通过第3连接管4c移动至回收槽3中。就该气体来说，由于是在吸附工序结束时存在于吸附塔内的气体，所以已相当程度地除去了不要成分，氧浓度较高。回收槽3的内部压力最终成为例如-50～70kPa(表压)。
在步骤2中，吸附塔1也与脱离气体回收部8处于连通状态。因此，除了准富含氧气体向回收槽3移动外，通过布氏泵BP的运转，使吸附塔1的内部降压。由此，从吸附剂中脱离不要成分，吸附塔1内的不要气体浓度上升。该不要气体通过布氏泵BP的运转，再借助于第7连接管4g、第4连接管4d和第8连接管4h回收至脱离气体回收部8中。
在步骤3中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3C所示的气体流动状态，进行连续脱离工序。
如图1和图3C所示，吸附塔1只与脱离气体回收部8处于连通状态，通过布氏泵BP从步骤2开始连续运转，可以降低吸附塔1的内部压力，进行脱离气体的回收。
在步骤2和3的脱离工序中，吸附塔1内的最低压力定为例如-90～-20kPa(表压)。
在步骤4中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3D所示的气体流动状态，进行洗净工序。
如图1和图3D所示，吸附塔1与制品气体缓冲槽2和脱离气体回收部8处于连通状态。因结束了先前的脱离工序，所以吸附塔1的内部压力相对较低。与此相反，由于通过吸附工序所得到的制品气体的滞留，所以制品气体缓冲槽2内的压力相对较高。因此，制品气体从制品气体缓冲槽2通过第2连接管4b、再由制品出口1a导入至吸附塔1，作为洗净气体。此时，通过布氏泵BP的运转，依次吸引吸附塔1内的气体。由此，有助于从制品气体缓冲槽2到吸附塔1的制品气体的移动。由流量调节阀门6a调节来自制品气体缓冲槽2的制品气体的流量或压力。
通过制品气体出口1a从吸附塔1吸引出的气体借助于第7连接管4g、第4连接管4d和第8连接管4h回收至脱离气体回收部8中。通过开动布氏泵BP来吸引吸附塔1内的气体，有助于残留气体的回收。此时，降低吸附塔1内的压力，排出不要气体，从而降低吸附塔1内的不要气体的浓度或分压。其结果，可促进吸附剂脱离不要成分。
而且，如果利用布氏泵BP的吸引作用，本洗净工序中的吸附塔1内的压力例如可与脱离工序的情况相同，为-90～-20kPa(表压)。
在步骤5中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3E所示的气体流动状态，进行连续洗净工序。
如图1和图3E所示，吸附塔1与回收槽3和脱离气体回收部8连通。如上所述，回收槽3的内部压力例如为-50～70kPa(表压)。与此相反，吸附塔1的内部压力，例如通过布氏泵减压，为比回收槽3的内部压力低的-90～-20kPa(表压)。因此，由于回收槽3和吸附塔1之间的压力差，回收槽3内的准富含氧气体借助于第3连接管4c从制品气体出口1a导入至吸附塔1中。此时，由流量调节阀门6b调节来自回收槽3的准富含氧气体的流量或压力。残留于吸附塔1内的气体通过来自回收槽3的准富含氧气体的导入和布氏泵BP的吸引而从原料气体入口1b排出，进而借助于第7连接管4g、第4连接管4d和第8连接管4h回收至脱离气体回收部8中。
此时，从回收槽3导入至吸附塔1中的准富含氧气体的量为脱离工序(步骤2)中的从吸附塔1回收的准富含氧气体量的例如65～97％，更优选为75～93％(采用换算为标准状态的容积来计算)。在本步骤中，吸附塔1内的最终压力例如为-80～-10kPa(表压)，并且回收槽3内的最终压力例如为-70～0kPa(表压)。
在步骤6中，如图2所示，选择各自动阀门5a～5g的开闭状态，成为如图3F所示的气体流动状态，进行升压工序。
如图1和图3F所示，吸附塔1与回收槽3和原料气体供给部7处于连通状态。紧接步骤5，通过第3连接管4c连续地将准富含氧气体从回收槽3导入至吸附塔1内。与此同时，借助于第5连接管4e、第4连接管4d和第6连接管4f，通过布氏泵BP的运转，将来自原料气体供给部7的原料气体供给至吸附塔1中。因此，吸附塔1的内部被升压至例如60～10kPa。
而且，由流量调节阀门6b调节来自回收槽3的准富含氧气体的流量或压力。从回收槽3导入至吸附塔1中的准富含氧气体的量为脱离工序(步骤2)中的从吸附塔1回收的准富含氧气体量的例如3～35％，更优选为7～25％(采用换算为标准状态的容积来计算)。并且，回收槽3的内部压力被降至-80～-10kPa(表压)。
而且，通过在PSA分离装置X中反复进行以上说明的步骤1～6，可以从原料气体中得到浓缩氧气的制品气体。
在上述实施方式中，步骤6的升压工序通过准富含氧气体的导入和原料气体的导入的两方面来进行。在本发明中，也可以只通过准富含氧气体的导入来进行升压工序，以代替上述那样的结构。此时，通过在步骤1的吸附工序中向吸附塔1供给原料气体，在吸附工序的中途，吸附塔1内的压力升高，直到最高压力为止。
另外，在步骤6和步骤1之间，也可以包括通过将保持于制品气体缓冲槽2中的制品气体导入至吸附塔1内而进一步提升吸附塔1内压力的工序。
下面，一同说明本发明的实施例和比较例。
(实施例1～5、比较例1和2)
在各实施例和各比较例中，使用图1所示的PSA分离装置X，在图4所记载的条件下，反复进行由图2所示的步骤构成的循环，由此进行从原料气体中回收浓缩氧气的试验。将其结果合并记载于图4中的同时，在图5中用图表进行表示。图5的图表的横轴表示洗净工序中所使用的准富含氧气体的量与脱离工序中所回收的准富含氧气体的总量之比率，纵轴表示将实施例1的制品气体取得率设定为1时的值。
而且，在各实施例和各比较例中，除了在步骤2的脱离工序中回收槽3所回收的准富含氧气体之中、使步骤5的洗净工序中导入吸附塔1的准富含氧气体的量与步骤6的升压工序中导入至吸附塔1的准富含氧气体的量之分配比不同外，其余条件相同。但是，由于分配比的不同，所以步骤5的洗净工序结束后和步骤6的升压工序结束后的吸附塔1的内部压力、步骤5的洗净工序结束后的回收槽3的内部压力都不相同。
就分配比来说，在换算为标准状态的容积基准情况下，实施例1为85∶15，实施例2为78∶22，实施例3为90∶10，实施例4为60∶40，实施例5为95∶5，比较例1为100∶0，比较例2为0∶100。在比较例1中，在脱离工序(步骤2)中回收的准富含氧气体全部用于洗净工序(步骤5)中，不用于升压工序(步骤6)中。在比较例2中，在脱离工序(步骤2)中回收的准富含氧气体全部用于升压工序(步骤6)中，不用于洗净工序(步骤5)中。
根据图4和图5可知，通过在换算为标准状态的容积基准情况下将分配比定为65∶35～97∶3，可以提高制品(浓缩氧气)的取得率。另外可知，通过在换算为标准状态的容积基准情况下将分配比定为75∶25～93∶7，更能提高制品的取得率。
这样，根据本发明，通过将脱离工序中回收的吸附塔内的气体使用于脱离工序结束后的吸附塔内的洗净和压力恢复的两方面，可提高制品气体的取得率。

Claims (3)

1.一种浓缩氧气的回收方法，通过在填充吸附剂的同时、使用具有原料气体入口和制品气体出口的单一吸附塔进行的单塔式的压力回转吸附法，浓缩并回收原料气体中所含有的气体状的氧，其特征在于：
反复进行包括以下工序的循环：
将所述原料气体导入所述吸附塔、使所述原料气体中所包含的不要气体成分吸附于所述吸附剂中之后、从所述吸附塔中导出富含氧气体的吸附工序；
通过降低所述吸附塔内的压力、使所述吸附剂所吸附的所述不要气体成分从所述吸附剂中脱离的脱离工序；
向所述吸附塔导入洗净气体、将残留于所述吸附塔内的残留气体排出的洗净工序；以及
提升所述吸附塔内的压力的升压工序；
所述脱离工序包括：在所述吸附工序后、紧接着通过所述制品气体出口回收存在于所述吸附塔内的准富含氧气体并将之保持于回收槽中的同时、在减压条件下使气体状的所述不要气体成分从所述吸附剂脱离并通过所述原料气体入口排出的第1脱离工序；和，在该第1脱离工序后、紧接着在关闭所述制品气体出口的状态下、在减压条件下使所述不要气体成分从所述吸附剂脱离并通过所述原料气体入口排出的第2脱离工序，
所述洗净工序包括：在将所述富含氧气体的一部分作为所述洗净气体通过所述制品气体出口导入至所述吸附塔中的同时、通过所述原料气体入口排出残留在所述吸附塔内的残留气体的第1洗净工序；和，在将保持于所述回收槽中的所述准富含氧气体的一部分作为所述洗净气体通过所述制品气体出口导入至所述吸附塔中的同时、通过所述原料气体入口排出残留于所述吸附塔内的残留气体的第2洗净工序，
所述升压工序包括通过将保持于所述回收槽中的剩余的所述准富含氧气体通过所述制品气体出口导入所述吸附塔进而提升所述吸附塔内的压力的工序。
2.如权利要求1所述的浓缩氧气的回收方法，其特征在于：
在所述洗净工序中导入至所述吸附塔中的所述准富含氧气体的量、与在所述升压工序中导入至所述吸附塔中的所述准富含氧气体的量的分配比，在换算为标准状态的容积基准情况下，为65∶35～97∶3。
3.如权利要求2所述的浓缩氧气的回收方法，其特征在于：
所述分配比，在换算为标准状态的容积基准情况下，为75∶25～93∶7。
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