CN1287885C - 通过吸附处理气体的方法及相应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，其仅使用两个吸附器，每个吸附器按相同的、但是移位的循环周期而运行，该周期顺序由高周期压力下的吸附阶段和在经减压的再生阶段组成，其结束时吸附器被再加压。该方法包括并行吸附阶段的吸附器的步骤，其中该并行步骤进行预定的时间间隔，该间隔比控制启动该步骤的吸附器的阀的切换时间显著长，或该步骤在总气流与第一气流的温度差大于设定的温度阈的期间一直进行。本发明特别适合于用于空气蒸馏前的净化。

Description

通过吸附处理气体的方法及相应装置
本发明涉及一种通过吸附处理气体的方法，其仅使用两个吸附器，每个吸附器按相同的、但是移位的循环周期而运行，其中该周期顺序由高循环压力下的吸附阶段和一个减压再生阶段组成，并以吸附器被再加压而结束。该方法包括并行该吸附器的步骤，在此步骤中通过在结束其吸附阶段的至少一个吸附器中处理第一气流和在开始其吸附阶段的至少另外一个吸附器中处理该待处理的第二气流而获得处理的总气流。
本发明特别适合于用于蒸馏的空气的净化。
为获得例如不含有某一种或多种在该处理气预定的下游处理中被认为是杂质的组分的气体，此类处理方法是常见的。该方法通过包括至少两个吸附器的处理装置而实现。由此，例如为了蒸馏，空气必须彻底净化以除水和CO2。一般地，空气蒸馏单元的进料为单一空气气流。该主空气流在单一压力水平下净化，其发生在至少两罐吸附剂中，其中之一是吸附模式，而另一个是再生模式。
在这两个罐的循环周期中，使这两个罐的吸附阶段是并行的，以保证向蒸馏单元的空气的连续流动。然而，应强调指出，当刚被再生的罐为产生净化空气被转至吸附方式时，在该罐出口处的净化空气中出现热峰。一般认为，温度增加是由于吸附器对氮气的吸附所致，并且吸附器所受压力越高温度增加得越明显。该温度变化对不论是空气蒸馏单元的主交换器还是增压器的下游元件的性能皆有不利的影响。特别地，在通过高压空气液化来蒸发加压的液态氧而被称为“泵送”的方法中，此问题必须得到解决。
EP-A-0146646和US-A-4981499介绍了使用至少四个吸附器通过吸附处理气体的方法。
本发明的目的之一是通过提供一种对现有技术的相关处理装置仅需做很少结构改变且易于实施的方法限制热峰的有害后果。
为了这一目的，本发明的主题是前述类型的方法，其特征在于，该并行步骤保持在比控制组成所述步骤的吸附器的阀的切换时间更长的预定时间间隔内，和/或只要在总气流温度和所述的至少一个气流温度之间的温度差比预定的温度阈值大。
根据本发明的其他特征：
所述预定的时间间隔至少等于1分钟；
所述预定的时间间隔至少等于2分钟；
在并行步骤中第一流速至少部分地变化；
在并行步骤中第二流速至少部分地变化；
第二流速以与第一流速的变化相反的方式变化；
所述气体是空气而且所述处理是对该空气的净化以除去水和CO2；
通过含有至少一种源自可选择地干燥和/或脱二氧化碳的空气的气体的再加压混合物、及氧含量比空气高的流体再加压吸附器；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少1分钟和/或约在20℃的温度阈值内；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或约在20℃的温度阈值内；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或在15℃的温度阈值内；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少5分至少钟和/或约在15℃的温度阈值内；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少5分钟和/或在约10℃的温度阈值内；
为在约7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少10分钟和/或在约10℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤保持至少2分钟和/或在约30℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤保持至少5分钟和/或在约30℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤保持至少5分钟和/或在约25℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤保持至少10分钟和/或在约25℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤至少保持10分钟和/或在约20℃的温度阈值内；
为在约7和36bar之间的压力下吸附，特别是在约20和36bar之间，该并行步骤保持至少15分钟和/或在约15℃的温度阈值内；
该吸附器按时间间隔为T的同样的阶段-移位循环周期操作，其中吸附阶段的时间间隔为T/2(包含)到T(不包含)。
本发明的主题也是一种为实施如上所述的方法而用于通过吸附处理气体的装置。该装置包括气体进料线路；经处理的气体排放线路；仅有两个吸附器，每个吸附器按相同的、但是移位的循环周期而运行，而该周期依次由高循环压力下的吸附阶段和减压再生阶段组成，其结束时吸附器被再加压；该方法包括并行该吸附器的步骤，在此步骤中通过在结束其吸附阶段的至少一个吸附器中处理欲处理的第一气流和在开始其吸附阶段的至少另外一个吸附器中处理欲处理的第二气流而获得处理的总气流；及用于将该吸附器与进料线路、排放线路相连、使彼此之间相连和与可能的富氧流体运行线路相连的器件，其特征在于，该装置包括一个流速调节器件，该流速调节器件控制该连接器件，使所述的连接器件保持并行步骤在比控制启动所述步骤的吸附器的阀的切换时间更长的预定时间间隔内，和/或只要在总气流温度和所述的至少一个气流温度之间的温度差比预定的温度阈值大。
根据该装置的另一个特征，该调节设备包括用于感测在总气流和第一气流之间、和/或在总气流和第二气流之间温度差的差动温度传感器。
每个吸附器包括一个罐，每一罐或者只装有分子筛或者装有带有氧化铝的分子筛，其可吸附空气中所含的水和CO2。
通过阅读下面的仅作为实例的参照附图而做出的详细说明，可更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的净化装置的示意图；
图2是根据本发明方法的一对吸附器中的一个吸附器的循环周期图。
图3与图2所示的相似，但其是所讨论的一对中的另外一个吸附器的循环周期图。
图4与图1相似，但其是根据本发明的装置的另一方案。
图1显示的是空气蒸馏单元的净化装置1。该装置1适用于移除包含在被压缩至3和36bar之间的压力并通过线路2传送的大气空气流中的杂质，特别是水和CO2，以便通过线路3向主要的热交换线路、然后空气蒸馏装置进料。后面的设备在图中未示以便不使图1过于繁琐。该空气蒸馏单元例如可以是产生液态氧的双空气蒸馏塔，其中液态氧在泵后通过压缩空气的部分浓缩以在热交换线路中蒸发。
该装置1包括两个基本上相同的吸附器R1和R2。每个吸附器R1、R2包括罐4、5，每一罐中含有可吸附空气中所含的水和CO2的材料，例如，可选择性地带有氧化铝的分子筛。
该装置1还包括一定数量的连接线路和阀，通过对该装置1内所实施方法的说明，其布置会更清楚。
此方法可通过如图2和图3所示的一种循环而获得，其中吸附器R1按图2中所示的循环周期运行，而吸附器2按图3中所示的与之并行的、相同、但是时间移位的循环周期运行。
在图2和图3中，时间t标绘在x-轴上，而绝对压力P标绘在y-轴上，箭头标示的线表明气流的移动和目的地，及此外分别在吸附器R1和R2中的流动方向：当箭头是朝y增加的方向(在图中向上)时，在吸附器中的气流被称为并流。如果向上的箭头位于表示吸附器中压力线的下方，那么气流通过该吸附器的进口端进入该吸附器；如果向上的箭头位于表示压力线的上方，那么气流通过该吸附器的出口端流出；该进口端和出口端分别为在生产阶段中的欲处理气体和经分离的气体的进口端和出口端。当箭头是朝y减小的方向(在图中向下)时，在吸附器中的气流被称为逆流。如果向下的箭头位于表示吸附器中压力线的下方，那么气流通过该吸附器的进口端流出该吸附器；如果向下的箭头位于表示压力线的上方，那么气流通过该吸附器的出口端进入该吸附器。该进口端和出口端总是在生产阶段中的欲处理气体和经分离的气体的进口端和出口端。
应该注意到，在图2和图3中的时间起点是相同的，由此可以在同一预定时刻对两图同步观察。对循环周期的描述主要是基于图3。应理解图2有循环半周期偏移的相同的循环周期。
图3的循环周期包括四个连续的步骤I～IV。作为实例其吸附压力基本上等于6bar，周期T等于360分钟。
在步骤I中，也就是说从 t＝0至 t1＝5分钟，该吸附器R1是在吸附阶段，而该主吸附器R2是在再生阶段。
然后，线路2的空气通过开启的阀10进入该吸附器R1中。然后，净化了的空气，也就是说经干燥和脱二氧化碳的空气，经由开启的阀11送还至线路3。
与此同时，通过打开阀12使吸附器2的压力返回至基本上等于大气压的压力。由此，通过线路6放空该吸附器R2。该阀12保持开通直至 t1＝5分钟，也就是说直到在该吸附器R2的罐5内部的压力基本上等于大气压为止。
接下来，关闭阀12，并且将从通过线路7接通的源自蒸馏单元的，例如来自于双塔的低压柱顶部的废氮气通过开口阀13输入该吸附器R2内。
此废氮气沿再生方向在吸附器R2中流动，也就是说沿与吸附相反的方向，由此使在先前的吸附阶段中被饱和的吸附器再生。该废氮气最初是经加热的，然后不经加热。
然后运送脱附下来的水和CO2的废氮气通过开启的阀14输送出该吸附器R2至排出线路8。
该阀14保持开放直至 t2＝155分钟为止，此时将该阀和阀13关闭，以容许该吸附器R2再加压。R2的再加压存在于从 t2至 t3＝170分钟，使该吸附器R2的罐5内部的压力达到基本上与下游设备内的压力相等的值。该过程可通过各种可预见的操作调节，特别是通过打开与两个吸附器R1和R2的出口相连的阀15，也可通过打开连至R2出口端的阀15B，并用富氧流体例如通过线路102而从空气蒸馏单元来的氧气部分地进入后者而实现。
当该吸附器R2的压力已到达预定的值6bar时，步骤I完成。
在步骤II中，也就是说从 t3至 t4＝180分钟，吸附器R1与步骤I中一样是吸附方式。
然而，从线路2来的空气也通过开启的阀16引入吸附器R2中。经此净化的空气通过开启的阀17输送至线路3。
因此，在步骤II中，为并行净化空气，该吸附器R1和R2都是在吸附阶段。
然而，如前所述，离开吸附器R2的净化了的空气气流的温度比吸附器R1出口的温度更高。因此，由离开R1的气流和离开R2的气流组成的沿线路3运行的总空气气流的温度基本上遵循混合规律为离开R1中的气流和离开R2中的气流之间的中间温度。
在吸附阶段中并行吸附器的步骤II发生在比控制组成此步骤的吸附器R1和R2的阀的切换时间更长的预定时间内，其时间持续几秒乃至几十秒，和/或直到在总气流间的中间温度在预先前设置的温度之下，基本上等于进入R1内的空气温度，该温度在本实施方案中加上约10℃的温度公差阈值。
在步骤III中，也说是说从 t4至 t7＝345分钟，吸附器R2保持在吸附阶段，而吸附器R1是在再生阶段。
按在步骤I中R2相似的方式，连续地操作R1：
从 t4至 t5＝185分钟，通过关闭阀10和11及打开具有和R2的阀12相似功能的阀18减压；
从 t5至 t6＝335分钟，通过关闭阀18及打开具有分别和R2的阀13和14相似功能的阀19及20通入废氮气；
从 t6至 t7＝350分钟，通过打开阀15，及可能打开具有和R2的阀15B相似功能的阀15A再加压。
在步骤III结束时，吸附器R1被再生。
在步骤IV中，也就是说从 t7至 t8＝360分钟，吸附器R1和R2并行净化经线路2输入的空气，与步骤II中一样这些吸附器都是在吸附阶段。
步骤IV持续上述预定的时间间隔，和/或直到沿线路3运行的总气流温度低于上述相同的预设置温度为止，这时基本上等于进入R2内的空气温度并且具有相同的温度公差阈值。
由此，在吸附阶段中两个吸附器的延长的并行使通过用冷气流混和热气流来获得其温度得到控制的净化空气气流成为可能。在线路3中的热峰强度被消弱，从而阻止或至少充分限制如上描述的对下游的干扰。
作为数值的例子，在吸附开始时的温度跃迁对于30bar的空气压力可以从70℃减小至15℃，而对于6bar的空气压力可以从30℃减小至10℃。
按照本发明的方法可以通过对阀的适当调节容易地实施。此外应该注意，具有进一步减小热气流温度影响的富含氧的空气的再加压涉及轻微校正本方法的参数。该方法也容易实施。
其他循环周期的例子总结在下表中，其中循环周期的并行步骤的参数是详细的：
  吸附压力   温度阈值   并行步骤的最小时间间隔
  最大约7bar   10℃   约5分钟
  最大约7bar   15℃   约5分钟
  最大约7bar   15℃   约2分钟
  最大约7bar   20℃   约2分钟
  最大约7bar   20℃   约1分钟
  约7～36bar   15℃   约15分钟
  约7～36bar   20℃   约10分钟
  约7～36bar   25℃   约10分钟
  约7～36bar   25℃   约5分钟
  约7～36bar   30℃   约5分钟
  约7～36bar   30℃   约2分钟
作为替代方案，如图4所示，该装置1包括与阀10、11、15、16和17相连的调节器件22。该器件22可以调节通过这些阀的每一个的空气流速。
在并行吸附器的步骤中，该装置22以相反的方式控制这两个吸附器的相应阀，使沿进料线路2运行的气流在两个吸附器R1和R2间不对称地分布，和/或使离开这些吸附器的每一个的气流随时间均衡变化。
用于调节这些阀的许多调节可以想象。作为例子，这些调节之一的细节如下：在用R1并行R2的步骤中，也就是说在根据前述编号的步骤II中，该器件22控制阀16逐渐连续开启，同时控制阀10逐渐连续关闭。由R1输出的气流基本上在并行步骤的最初时最大，由此连续降低，而相伴随地，由R2输出的气流基本上在并行步骤的最初时为零，并以相似的方式连续增加。
有利地是，如图4所示，该器件22包括一个差动温度传感器。该传感器包括用于分别测量在排出线路3、吸附器R1的进口端及吸附器R2的进口端处的气体温度的三个支路22A、22B和22C。
该传感器将在其每个支路间的温差提供给该调节器件22，使该装置根据本发明的方法以自动方式控制阀10、11、15、16和17。
作为替代方案(图未示)，使在再加压吸附器时提供富氧流体成为可能的阀15A和15B也被连至该调节器件22，使它们的活动被控制并被该器件22检测。
当然，该装置在操作中时周期参数可以变化。
此外，用于并行该吸附器的时间间隔可以随时间、和/或设备的负载、和/或取决于刚被再加压的吸附器的不同而变化。

Claims (28)

1.一种通过吸附处理气体的方法，其中仅使用两个吸附器(R1、R2)，每个吸附器按相同的、但是移位的循环周期而运行，其中该周期顺序由高周期压力下的吸附阶段和经减压的再生阶段组成，且随后吸附器被再加压，该方法包括并行该吸附器的步骤，在此步骤中通过在结束其吸附阶段的至少一个吸附器(R1)中处理第一气流和在开始其吸附阶段的至少另外一个吸附器(R2)中处理欲处理的第二气流而获得处理的总气流，其特征在于，该并行步骤保持在比控制组成所述步骤的吸附器的阀的切换时间更长的预定时间间隔，和/或只要在总气流温度和所述的至少一个气流温度之间的温度差比预定的温度阈值大，其中所述预定的时间间隔至少等于1分钟，并且所述预定的温度域值为10℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的时间间隔至少等于2分钟。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在并行步骤中第一气流至少部分地变化。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在并行步骤中第二气流至少部分地变化。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在并行步骤中第一气流至少部分地变化，第二气流至少部分地变化，并且该第二气流以与该第一气流的变化相反的方式变化。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体是空气，并且所述处理是对该空气的净化以除去水和CO2。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气体是空气，并且所述处理是对该空气的净化以除去水和CO2。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用含有至少一种源自可选择地干燥和/或脱二氧化碳的空气的气体的再加压混合物、及氧含量比空气更高的流体使吸附器再加压。
9.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少1分钟和/或在20℃的温度阈值内。
10.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或在20℃的温度阈值内。
11.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或在15℃的温度阈值内。
12.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持5分至少钟和/或在15℃的温度阈值内。
13.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少5分钟和/或在10℃的温度阈值内。
14.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7bar的最大压力下吸附，该并行步骤保持至少10分钟和/或在10℃的温度阈值内。
15.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或在30℃的温度阈值内。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少2分钟和/或在30℃的温度阈值内。
17.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持5至少分钟和/或在30℃的温度阈值内。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持5至少分钟和/或在30℃的温度阈值内。
19.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少5分钟和/或在25℃的温度阈值内。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少5分钟和/或在25℃的温度阈值内。
21.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少10分钟和/或在25℃的温度阈值内。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少10分钟和/或在25℃的温度阈值内。
23、如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤至少保持10分钟和/或在20℃的温度阈值内。
24、如权利要求23所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤至少保持10分钟和/或在20℃的温度阈值内。
25、如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，为在7和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少15分钟和/或在15℃的温度阈值内。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，为在20和36bar之间的压力下吸附，该并行步骤保持至少15分钟和/或在15℃的温度阈值内。
27.一种为实施如权利要求1至26任何一项的方法而用于通过吸附处理气体的装置，该装置包括气体进料线路(2)，经处理的气体排放线路(3)，仅有两个吸附器(R1、R2)，及用于将该吸附器与进料线路、排放线路、彼此之间和可能的富氧流体运行线路相连的器件(10、11、15、16、17、15A、15B)，其特征在于，该装置包括一个流速调节器件(22)，该流速调节器件控制该连接器件，使所述的连接装置保持并行步骤在比控制启动所述步骤的吸附器的阀的切换时间显著长的预定时间间隔内，和/或只要在总气流温度和所述的至少一个气流温度之间的温度差比预定的温度阈值大。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，该调节器件(22)包括用于感测在总气流和第一气流之间、和/或在总气流和第二气流之间温度差的差动温度传感器(22A、22B、22C)。
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