CN1291907C - 与氧气或富氧空气生产相关的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

氧气(22)生产方法，其中输送进料空气(10，16，16a，16b)通过吸附剂/沸石结构(18)，该设备包括至少三个在包括从空气中吸附氮气的第一阶段和包括解吸附由其吸附的氮气的第二阶段中间歇操作的沸石组件(50a-f)。在所述吸附阶段操作所述沸石组件中的至少二个，输送所述进料空气连续通过(53a)所述至少二个沸石组件，以在沸石组件中形成升高的氮气梯度；和/或在所述解吸附阶段操作所述沸石组件中的至少二个，输送压力释放的和/或解吸附的气体(22a，22b)连续通过(53b)所述至少二个沸石组件，以在沸石组件中形成降低的氮气梯度。

Description

与氧气或富氧空气生产相关的方法和装置
技术领域
本发明涉及氧气或富氧空气的生产，在此生产工艺中，进料空气通过吸附材料，即沸石或具有类似氮氧吸附性能的其它材料，以下称之为“沸石”，的结构，沸石结构包括至少三个沸石组件，并在第一和第二阶段间歇地操作这些沸石组件，所述第一阶段包括从空气中吸附氮气，所述第二阶段包括从沸石组件解吸附由其吸附的氮气。
背景技术
利用氮气在沸石中的吸附生产氧气或富氧空气属于发展前景看好的的技术领域。存在各种各样的沸石，并且它们中的许多种已被开发专门用于氧气或富氧空气生产。当然，还提出了多种利用所生产的氧气或富氧空气的途径。在WO99/49964中，举例描述了呼吸空气设备或空调装置中吸附氮气的沸石的使用。此外，吸附氮气的沸石在新技术领域内具有用于新应用的潜力。
另外，尽管利用吸附氮气的沸石生产氧气或富氧空气属于发展前景看好的技术领域，但还存在进一步开发这项技术的潜力。现在使用的沸石结构例如总是由于减小的反应(即吸附或解吸附)速度而表现出有限的效率，而这又取决于反应中过多的热产生或消耗。更确切地说，压力增加和温度升高时发生对氮气的吸附。然而当温度变得太高时，吸附反应的速度降低。另外，通常在压力减小和温度降低时发生氮气的解吸附。然而当温度变得太低时，解吸附反应的速度降低。存在这种问题的一个原因是沸石导热性差，这意味着沸石结构内的温度将相当快地升高或降低到对反应速度有负面影响的温度。
还有另一个问题是实现利用几个沸石组件的有效工艺，即在连续不断地利用至少三个彼此操作性地连接的沸石组件的工艺中如何在接近饱和时在顾及其吸附性能和功能的前提下充分利用沸石材料。
EP0343799教导了一种二个或多个吸附剂组件/床在吸附阶段和解吸附阶段间歇地运行的工艺，运行时热在组件/床间传递。另外，US4165972和EP0537597教导了利用热交换器装置加热和冷却。EP0537597还教导了在特大规模的空气分离厂，可在一个处理组合内并连连接几个吸附床，在这种情况下所有床将一起并同时经历同样的处理顺序。因此，多个床不能彼此相互串联。
发明内容
本发明旨在解决上面的问题，并因此为吸附氮气的沸石或具有与现在使用的用于氧气或富氧空气生产的沸石类似氮氧吸附性能的其它材料(吸附剂)提供新设计或技术。在下文中，将这组材料仅仅称为“沸石”或“各种沸石”。因此，通过引入以一定的顺序工作的串联地(连续地)相互连接的沸石组件，本发明旨在提供与借助吸附氮气的沸石生产氧气或富氧空气相关的新的和高效的工艺和装置。此外，本发明旨在提供至少与已知装置同样有效但尺寸更小的装置。通过新设计和技术，还解决了由于过多热的产生或消耗而导致反应速度降低的有关问题。另外，本发明旨在提供利用吸附氮气的沸石生产的氧气或富氧空气的新应用。
通过权利要求中提供的工艺和装置解决了这些和其它问题。
因此，提供与引言相应的工艺和装置，其中：
a)在任何情况下，在操作过程中，所述至少三个沸石组件中的至少一个但不是全部在第一吸附阶段中工作，所述至少三个沸石组件中的其余组件在第二解吸附阶段中工作，或反之亦然；
并且在任何情况下，在操作过程中，其中情形b和c中的任何一个或二个都是有效的：
b)在所述第一吸附阶段，运行所述三个沸石组件中的至少二个，在输送压力接近或超过、优选大大超过大气压下，所述进料空气连续通过所述至少二个沸石组件并形成氮气梯度，其在上游空气入口组件处最高，在所述连续组件的下游氧气或富氧空气出口组件处最低；
c)在所述第二解吸附阶段，运行所述三个沸石组件中的至少二个，输送压力释放的和/或解吸附气连续通过所述至少二个沸石组件并形成氮气梯度，其在上游解吸附气入口组件处最低，在所述连续组件的下游氮气或富氮气体出口组件处最高。
因此，本发明提供串联地或顺序地相互连接沸石组件的方法，使得每个单独的组件首先在低氮饱和度下工作，然后在较高氮饱和度下工作，等等，直到达到最终选定的饱和度点，这时开始对那个组件进行解吸附。在任何情况下，将进料空气输入到氮饱和度高(优选最高)的沸石组件，这个沸石组件随后在下一步骤中切换到解吸附状态，其中从氮饱和度高的沸石组件中取出(排出)氮气或富氮空气。此时，氧气或富氧空气从顺序连接的一行吸附组件中的最后一个沸石组件中被取出(排出)，这个沸石组件中氮饱和度低。在前面步骤中，那个氮饱和度低的沸石组件是一行顺序连接的解吸附组件中的第一个。这里，“一行中的最后一个”和“一行中的第一个”是指沸石组件序列中与气体流动(吸附时失去氮气的空气或解吸附时富集氮气的解吸附气)相关的位置。
根据本发明的一个方面，包括沸石组件的沸石结构可设置得包括沸石组件的一旋转组件。在这种情况下，可逆流输入进料空气通过多个沸石组件。在一定的时间间隔内，旋转组件移动一步，这意味着氮气极度饱和的沸石组件移动到解吸附位置，在该位置该沸石组件是处于解吸附状态下的多个沸石组件构成的一行中的最后的一个。逆流输入空气、氧气或富氧空气通过这些解吸附组件，并且这些组件同时移动一步并最终方便地被解吸附，然后它们再次进入旋转组件的吸附区域。
根据本发明的另一方面，在吸附阶段从每个沸石组件转出热能，并在解吸附阶段将热能转入沸石组件。优选地，借助冷却介质转移从吸附阶段转出的所述热能，借助加热介质转移被转入解吸附阶段的所述热能。在吸附和解吸附沸石组件间进行热交换的情况下，加热介质可与冷却介质相同，或使用不同的介质。所需要的任何额外热能可来自外部加热介质如来自使用氧气或富氧气体工艺中或来自一些其它热源的废气。需要的任何额外冷却作用可来自外部冷却介质如周围空气、冷却水或任何其它合适的冷却源。一个选择是在沸石组件内冷却进料空气形成冷却介质和/或加热引入的解吸附气形成加热介质。当然，即使没有热交换发生，也可使用外部加热和冷却介质。
根据本发明的另一方面，沸石结构包括至少四个单独的沸石组件，优选至少六个，甚至更优选至少九个单独组件。通过变压工艺和/或通过变温工艺，优选通过变温工艺，交替操作这些单独组件分别用于吸附阶段和解吸附阶段。应认识到单一工艺或装置中使用的沸石组件的数量没有上限，尤其因为在优选每个沸石组件都相当小时。因此，优选将每个单独的沸石组件做成细长体，优选其具有1-1000mm的最大直径或或横截面宽度，较优选2-100，更优选2-50mm，最优选2-10mm，并且优选其具有100mm-100m的长度，较优选150mm-10m，更优选200mm-5m，最优选200mm-1m。另外，为形成所述细长沸石组件，可由大量形状较对称且能彼此堆积的小块装配成每个沸石组件。优选所述细长体具有比圆形横截面棒的圆周长度大的周边长度，其中棒具有与细长体横截面积相等的横截面积。根据本发明的优选实施例，细长体紧密堆积或以一些其它彼此靠紧的方式布置，这样使得能够进行并有利于分别在吸附阶段和解吸附阶段中正工作的体/组件间的热交换。作为替换方式，可布置大量较小的沸石物体如球或其它小块形成沸石组件。在最优选情况下，通过吸附和解吸附沸石组件间的热交换唯一地或至少主要地影响任何热能转入和转出沸石组件。
多亏沸石组件相对较小或至少相对较薄，因此，在该工艺的每一种情况下，可以通过在吸附和解吸附沸石组件间进行的热交换来改善组件中的反应速度。当然这意味着应优选在沸石组件间存在某些类型的热交换装置，但沸石组件如此薄的事实对低热导性的负面影响的反作用一点也不小。热交换装置可优选地并可相当简单地由布置在单独沸石组件间的金属层和/或金属壁架(ledge)组成。然而，还可以使用其它装置，即本来已知的热交换装置。
根据本发明的另一个方面，在金属结构上布置沸石组件，优选在金属结构其自身的栅格内布置每个沸石组件，并且还优选在金属结构内布置用于所述热交换的附加装置。另外，可在沸石组件外表面和金属结构间布置引导气体通过的通道。替代地或结合地，沸石结构可包括蜂窝状结构，利用它在沸石结构内提供用于气体穿过的通孔。在附图描述中将更充分地描述这些方面的细节。
根据本发明的一个实施例，对过程加压，借此解吸附过程包括释放压力以从沸石解吸附氮气的第一步骤，和输送空气、氧气或富氧空气冲洗沸石以从沸石中冲洗出被吸附氮气的第二步骤，借此交替操作所述的单独沸石组件分别用于吸附，用于第一解吸附步骤和用于第二解吸附步骤。在下文中，将第二步骤称作再生步骤。在这个实施方式中，在根据本发明的工艺和装置中的现行的最高压力应为例如至少1.5bar，优选至少2.5bar，较优选至少5bar，更优选至少7.5bar和最优选10bar过压力。对于本发明某些实施例和应用，压力可能为100bar高，但通常其不超过50bar，并优选不超过30bar过压力。
根据刚提及的实施例的一个方面，可借助热泵工艺实现根据本发明的热能转移，可选von Platen工艺，使用吸附沸石组件作为热源和解吸附沸石组件作为热能冷源(heat energe sinks)进行操作。
根据本发明的另一个实施例，可通过进行交替的冷却和加热改善吸附和解吸附反应，以至可达到基本在恒压下完成过程(忽略克服流动阻力必需的压差)的程度。如果吸附时沸石组件冷却充分，吸附的氮气量就高。然后可通过仅提高温度实现后续的沸石组件解吸附(包括再生)。在这种情况下，吸附步骤和解吸附步骤间的温差应至少为5℃，或更有利地至少为10℃，优选至少为20℃，较优选至少为50℃，更优选至少为100℃，最优选至少为200℃。通过建立这样能使吸附阶段的温度比解吸附阶段低的条件，相应于刚提及的温差，将大大提高吸附反应和解吸附反应的速度。压力优选为大气压，借此基本上不需要压缩进料空气。但是，也可设想结合变压工艺和变温工艺，借此吸附阶段的温度不需要但优选比解吸附阶段低。在结合变压工艺和变温工艺的情况下，压差可高至100bar，但通常不超过50bar，优选不超过30bar，更优选不超过10bar。最有利地是，变温工艺占主导地位，在这种情况下压差不超过2bar，优选不超过1bar，更优选不超过0.5bar，最优选不超过0.2bar。
根据本发明的优选实施例，在能量生产中利用产生的氧气或富氧空气。能量生产可包括由热能、动能和电力生产组成的一组形式中的任意一种能量产生形式，优选在燃烧过程中，更优选在内燃机中。可使用任何可能的燃料用于燃烧过程或内燃机，例如汽油、柴油、烃、煤气、菜子油甲酯等，但不排除其它燃料。
根据本发明的另一个优选实施例，在能量产生和/或化学工艺中的所述利用包括利用氧气或富氧空气作为燃料电池，优选固体氧化物燃料电池(SOFC)中的反应剂。SOFC的原理在其特定技术领域为人所熟知，表示“电解质”为固体形式，例如如ZrO2形式的陶瓷电解质或一些其它电绝缘但离子传导材料。在使用氧气或富氧空气的燃料电池内的反应可以是任何已知或还未知的反应，例如基于氢气和氧气作为反应物的、基于烃和氧气作为反应物的和/或基于一氧化碳(优选与氢气混合)和氧气作为反应物的。在后一情况下，既可有利地使用根据本发明生产的氧气或富氧空气用作燃料电池本身中的氧气反应物，也可用作重整气形式的一氧化碳和氢气混合物生产的反应物。在本来已知的重整气生产中，碳或烃通过与蒸汽和/或空气反应重整成为一氧化碳和氢气。在目前情况下，用通过氧气或富氧空气而不是普通空气作为反应物生产得到的重整气对燃料电池中的能量生产极其有效，因为与空气作为氧气源产生的重整气相比，它具有降低的氮气(N2)含量。另外，当使用根据本发明的氧气或富氧空气产生重整气时，可以H2O的形式加入相当大部分的氧气。这能够在产生的气体中提供提高的氢气(H2)含量，这对于燃料电池来说尤其有利。当然，刚才关于燃料电池反应物的叙述对于其它化学过程或能量生产过程用反应物也是正确的。
在大的运载工具或建筑物如宇宙飞船、卡车或冶金厂、化工厂或电厂中，可在单个沸石结构内布置数量高达1000000个的沸石组件。然而，对于常规汽车等中的应用，在单个沸石结构内的组件数量优选较少，但要使沸石结构的总直径或最大宽度为300mm，优选至多200mm，更优选至多100mm。
本发明的优点在于，与空气相比，氧气或富氧空气能在消耗氧气的地方例如在燃烧物的表面或燃料电池中膜的氧化侧表面上产生较薄的阻气层。因此，过程能进行得较快并且能量产生装置因此比传统装置小。
根据本发明的另一个方面，可在任何已知的氧气消耗工艺或设备例如呼吸设备中使用产生的氧气或富氧空气，但不排除在其它工艺或设备中使用。
根据本发明的另一个方面，将工艺中解吸附的氮气用于冷却用途，优选用于内燃机的冷却，用于燃料电池的冷却或用于冷却输入的空气，可选择地是输入的压缩空气，的冷却。这在氮气温度由于被释放而其压力而降低的情况下尤其有效。作为替换方式，可使用解吸附氮气用于干燥，优选用于进料空气进入工艺/装置所用干燥物质的再生干燥。这类干燥物质还可有利地由沸石结构构成，这种特定沸石适用于水或湿气吸附并且是最适合的。一个特别有意思的原理是使用低温解吸附氮气用于冷却用途，如上面提到的，并随后将加热的氮气用于干燥。
根据本发明的另一个优选实施例，可在涡轮发动机工艺内结合根据本发明的工艺/装置。当这样做时，将意味着来自所述能量生产和/或来自所述化学工艺的废气在涡轮发动机机内释放压力，释放压力过程中产生的能量用于压缩根据本发明的工艺/装置所使用的进料空气。这还将具有这样的优点，即由于释放压力时废气温度降低，从而可将气体中的相应热能用于压缩根据本发明的工艺/装置的加压实施方式所使用的进料空气。
所用沸石的类型自然适用于从空气中吸附氮气并且是最适合的。此外，应优选使其充分适于形成细长体，优选通过挤压。在由大量短或小块制备成细长沸石体的实施例中，还可使用挤压、铸造或非常适于生产致密形状的沸石块的一些其它方法。另外，沸石应具有相当高的机械强度，尤其是为了承受例如在如内燃机中自然发生的振动。根据本发明的一个实施例，在保持沸石最佳热传导性能的同时，沸石应具有适于分别使氮气吸附和氮气解吸附时间最短的孔结构。
根据本发明，提供一种与氧气或富氧空气的有关的方法，在此方法中，输送工艺进料空气通过具有氮氧吸附性能的吸附材料结构，该吸附材料结构包括至少三个吸附材料组件，在第一和第二阶段间歇操作吸附材料组件，所述第一阶段包括从空气中吸附氮气，所述第二阶段包括从吸附材料组件中解吸附由其吸附的氮气，其特征在于在操作过程中的所有情况下，以下情况b和c中的一个或二个都是有效的：
b)在所述第一吸附阶段使所述至少三个吸附材料组件中的至少二个但不是全部工作，同时使所述至少三个吸附材料组件中的其余组件工作在第二解吸附阶段，在接近或超过大气压的压力下，使所述进料空气连续通过所述至少二个吸附材料组件，以形成氮气梯度，所述氮气梯度在上游空气入口组件处最高，在所述连续组件的下游氧气或富氧空气出口组件处最低；
c)在所述第二解吸附阶段使所述至少三个吸附材料组件中的至少二个但不是全部工作，同时使所述至少三个吸附材料组件中的其余组件工作在第一吸附阶段，压力被释放和/或被解吸附的气体连续地通过所述至少二个吸附材料组件，以形成氮气梯度，所述氮气梯度在上游解吸附气体入口组件处最低，在所述连续组件的下游氮气或富氮气体出口组件处最高。
所述方法特征在于所述方法是在基本恒压下完成的，以使在所述第一吸附阶段和所述第二解吸附阶段间吸附材料组件内的温度发生变化。
所述方法特征在于使吸附材料组件内的温度和压力在所述第一吸附阶段和所述第二解吸附阶段间同时变化，吸附阶段和解吸附阶段间的压差可达100bar，或不超过50bar、或30bar、或10bar、或2bar、或1bar、或0.5bar、或0.2bar。
所述方法特征在于在吸附阶段从吸附材料组件中转移出热能和在解吸附阶段将热能转移到吸附材料组件。
所述方法特征在于借助冷却介质转移从吸附阶段被转移出的所述热能和借助加热介质转移被转移到解吸附阶段的所述热能。
所述方法特征在于所述吸附材料结构包括至少四个、六个或九个单独的吸附材料组件。
所述方法特征在于通过吸附和解吸附吸附材料组件之间的热交换实现所述热能转移。
所述方法特征在于借助以吸附吸附材料组件作为热源和解吸附吸附材料组件作为冷源工作的热泵工艺实现所述热能转移。
所述方法特征在于所述解吸附阶段包括为从吸附材料组件解吸附氮气而释放压力的第一步骤和为从沸石中洗出被吸附的氮气而输送空气、氧气或富氧空气冲洗吸附材料组件的第二步骤，由此交替操作所述吸附材料组件用于做为加压阶段的所述吸附阶段、所述解吸附阶段的第一步骤和所述解吸附阶段的第二步骤。
所述方法特征在于将被解吸附的氮气用于进料空气的冷却，和/或用于进料空气所用干燥物质的再生干燥。
所述方法特征在于将其结合到涡轮发动机工艺中，来自能量生产和/或化学工艺的废气被释放压力，释放压力时回收的能量用于压缩所述进料空气，其中产生的氧气或富氧空气用于所述能量生产和/或所述化学工艺。
根据本发明，提供一种用于生产氧气或富氧空气的装置，包括用于进料空气进入并通过具有氮氧吸附性能的吸附材料结构的入口，所述吸附材料结构包括至少三个被布置用于从空气中吸附氮气的吸附材料组件，并且还包括用于在第一和第二阶段间歇操作所述吸附材料组件的装置，所述第一阶段包括从空气中吸附氮气，所述第二阶段包括从吸附材料组件中解吸附由其吸附的氮气，其特征在于：
b)所述用于间歇操作的装置被布置用于在第一吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的至少两个但不是全部，同时在第二解吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的其余组件，管道装置被布置用于将所述三个吸附材料组件中的所述至少二个可操作地并连续地连接到用于所述第一吸附阶段的所述进料空气入口，
和/或
c)所述用于间歇操作的装置被布置用于在第二解吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的至少两个但不是全部，同时在第一吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的其余组件，管道装置被布置用于将所述三个吸附材料组件中的至少二个可操作地并连续地连接到用于所述第二解吸附阶段的被释放的气体和/或解吸附气体入口。
所述装置特征在于所述装置还包括在吸附阶段将热能转移出所述吸附材料组件和在解吸附阶段将热能转移到所述吸附材料组件的装置。
所述装置特征在于所述用于转移热能的装置包括冷却介质源和用于利用冷却介质冷却吸附材料组件的装置，以及加热介质源和用于利用加热介质加热吸附材料组件的装置。
所述装置特征在于所述吸附材料结构包括至少四个、六个或九个单独的吸附材料组件。
所述装置特征在于用于按照以下二个步骤完成所述解吸附阶段的装置：释放压力以从吸附材料组件中解吸附氮气的第一步骤和输送空气、氧气或富氧空气冲洗吸附材料组件以从沸石中冲洗出被吸附的氮气的第二步骤，由此布置所述吸附材料组件以被交替操作，用于做为加压阶段的所述吸附阶段、所述解吸附阶段的第一步骤和所述解吸附阶段的第二步骤。
所述装置特征在于所述吸附材料结构包括布置成旋转组件的吸附材料组件。
所述装置在于所述转移热能的装置包括被设置以所述吸附吸附材料组件作为热源和以所述解吸附吸附材料组件作为冷源工作的热泵。
所述装置特征在于所述转移热能装置包括用于所述吸附和解吸附吸附材料组件之间的热交换的装置。
所述装置特征在于将每个吸附材料组件成形为细长体，其优选具有1-1000mm、或2-100mm、或2-50mm、或2-10mm的最大直径或横截面宽度，并且其具有100mm-100m、或150mm-10m、或200mm-5m、或200mm-1m的长度，为实现所述热交换，所述吸附材料组件被彼此紧密排列。
所述装置特征在于所述细长体是由大量沸石材料短块构成。
所述装置特征在于所述细长体具有比圆形横截面的棒的圆周长度大的周边长度，其中棒具有与细长体横截面积相等的横截面积。
所述装置特征在于所述吸附材料组件被布置在导热材料结构内。
所述装置特征在于每个吸附材料组件被布置在所述导热材料结构自身的栅格内。
所述装置特征在于用于所述热交换的附加装置布置在所述结构内。
所述装置特征在于用于使空气通过的直通通道被布置在所述吸附材料组件的外部成形表面和导热材料结构之间布置空气通过的通道。
所述装置特征在于用于使所述加热介质或所述冷却介质通过吸附材料结构的直通通道被布置在导热材料结构中。
所述装置特征在于吸附材料组件具有蜂窝状结构，借此在吸附材料组件内提供空气通过的通孔。
所述装置特征在于解吸附氮气出口用于进料空气的冷却，和/或用于进料空气所用干燥物质的再生干燥。
所述装置特征在于所述装置被结合到涡轮发动机装置内，包括用于在废气释放压力时，从来自能量生产和/或来自化学工艺的废气中回收能量的装置，和用于将在释放压力时回收的能量传输到用于所述工艺的进料空气的压缩机中的装置，其中用于所生产的氧气或富氧空气的出口被布置用于在所述能量生产和/或所述化学工艺中利用所述氧气或富氧空气。
附图说明
在下文中，将结合附图所示优选实施例更详细地描述本发明，其中：
图1用方框图图示了根据本发明的氧气或富氧空气生产工艺，其工艺被结合到涡轮发动机工艺中。
图2用透视图图示了沸石结构，其中沸石结构包括多个布置于金属结构中的单独细长沸石组件。
图3A-F以截面图图示了根据本发明沸石组件的多种可能的设计，以及它们如何彼此相对布置。
图4A-D图示了根据本发明的一个优选实施例的交替加热和冷却沸石组件的各个阶段。
图5A-C图示了本发明的一个实施例，其中沸石结构布置为旋转组件。
图6A-C图示了图5A-C中的布置原理，作了进一步的描述。
图7A-B图示了作为旋转组件布置的沸石结构的试验模型。
具体实施方式
首先，结合图1-4论述工艺和装置的一些通用方面。结合图5-6更详细地论述创造性概念。
在图1中，图示了根据本发明的氧气或富氧空气生产工艺方框图。在所示工艺中，氧气或富氧空气被用于能量生产或化学工艺。另外，将根据本发明的工艺结合到涡轮发动机工艺中。更确切地说，示出了吸入空气10，空气在干燥器12内干燥，干燥器可有利地基于用沸石作为干燥物质，沸石适用于吸取空气中的水或湿气并且是最适合的。在压缩机14内将干燥空气压缩至按照上面所述的工艺所需最高压力。作为替换方式(未示出)，可在压缩机14下游布置干燥器12。然后，将干燥的压缩空气通过入口16输送到根据本发明的沸石结构18中。在沸石结构18内，从进料空气中吸附氮气。然后间歇解吸附氮气并通过出口20从沸石结构内抽出。
沸石结构18具有氧气或富氧空气出口22，富氧空气氧含量至少为25％，优选至少为40％，更优选至少为60％，有利地是从80％直到100％或至少到95％。根据本发明，随后将氧气或富氧空气用于工艺装置24中的能量生产或化学工艺。因此，图1中的工艺装置24可表示如内燃机或燃料电池或按照上面所述的其它装置。用附图标记26表示能量输出。通过出口28抽出来自工艺装置24的废气，并在涡轮发动机机30内释放废气压力。根据涡轮发动机原理，可将涡轮发动机机30内释放废气压力时得到的能量用于压缩压缩机14中的进料空气，如管线32所示。同样，解吸附并通过出口20从沸石结构18中抽出的加压氮气(或者说是富氮空气)在涡轮发动机机34内释放压力，由此得到的能量，如管线36所示，可在压缩机14内利用。
当解吸附氮气释放压力后，其温度会降低，这意味着可将其有利地用于冷却用途。在图1情况下，冷的氮气沿管线38被输送到工艺装置24中，以便将其用于内燃机、燃料电池或符号24表示的任何工艺内的冷却。借此能重新加热氮气并随后再次用于干燥。在图1中，已示出如何将加热的氮气沿管线40输送回干燥器12，以便将其用于其中干燥物质的再生干燥。
在图2中，示出了如何在金属结构52内布置几个单独沸石组件50a-c的优选实施例，金属结构具有多个单独的栅格54用于各个单独的沸石组件50a-c。在所示实施例中，示出了九个单独的栅格54和相应的九个单独沸石组件50a-c，但应认识到根据上面的描述，栅格和组件的数量可同时更少或更多。沸石组件50a-c由彼此相对紧密布置的狭窄细长体组成，以便有助于多个单独组件间的热交换。例如，如果在这样一种工艺情况下，即操作多个组件50a用于吸附并且这些组件中的温度因此升高，以及多个操作组件50b用于第一解吸附步骤并且这些组件中的温度因此降低，那么由于在吸附和解吸附组件间发生热交换，所以吸附和解吸附过程的效率都能提高。在同样情况下，操作组件50c用于第二解吸附步骤，即使它们再生。沸石组件50a-c的狭窄形状大大有助于热传递并抵消了沸石热传导性差的这种因素。另外，金属结构52增强了单独沸石组件50a-c间的热传递。当吸附和解吸附过程进行时，组件50a、50b和50c交替工作分别用于吸附、第一解吸附步骤和第二解吸附步骤。由于热交换，将改善吸附和解吸附反应并且交替的操作循环可因此快速和有效。
在图2中，还用符号表示了如何由彼此堆积的大量小块51构成沸石组件50a-c，以形成细长体。
在图3A-F中，示出了沸石组件50和在其中布置它们的金属结构52的各种可能的截面设计。在图3A中，示出了如何形成沸石组件50的表面，以提供比圆形横截面的棒的圆周长度大的周边长度的例子，其中棒具有与沸石组件横截面积相等的横截面积。更具体地说，每个沸石组件50的表面具有多个细长的凹槽，优选至少4个凹槽。另外，这有利地提供了布置附加热交换装置的可能，在这里，金属壁架60的形式为从金属结构52伸出并进入到沸石组件50的成形表面。在图3A-F中，分别示出了截面设计，即正方形设计、矩形设计、半月形设计和三角形设计。应认识到这些设计仅仅构成用来表明可使用多种形状的例子。
如图2所示以及图3A-F更详细的说明那样，沸石组件50可具有气体(空气、富氧空气、氧气、富氮空气或氮气)通过的通孔56。如同沸石技术中本来已知的，这些通孔56优选形成蜂窝状结构。替换地或结合地，如图3D-E所示，可在沸石组件50的外表面和金属结构间提供气体通过的通道58。可由例如上面提到的凹槽构成这些通道58。应认识到提供通道58与沸石组件(或体)50的截面设无关。
在图3F中，示出了如何在金属结构52其中的栅格54中间提供通道61。如图所示，这些通道61可具有变化的横截面积。它们的用途是为加热介质或冷却介质构成通过沸石结构的通道。在这种情况下，优选在工艺的同一阶段内同时操作设备内的所有沸石组件50。因此，优选布置至少二个这种类型的沸石结构，操作其中一个用于吸附，而操作另一个用于解吸附，反之亦然。
在图4A-D中，用符号表示了根据本发明的四个不同工艺阶段A-D，其中交替进行冷却时的吸附和加热时的解吸附。在该图中，实线表示开通管道，而虚线表示闭合管道。二个沸石结构18′和18″各自构成如图1所示的沸石结构18，分别包括至少三个沸石组件，优选大量沸石组件，尽管为简明只示出了二个组件50a、50b。为在加热或冷却介质和沸石间获得最佳的热传递，优选根据图3F的原理布置沸石结构18′、18″。另外，如图1所示的管线16、20和22在这里包括各自的支线用于每个沸石结构18′、18″，各自的支线分别表示为16a、16b、20a、20b、22a和22b。
在图4A所示阶段A中，操作沸石结构18′用于吸附，操作沸石结构18″用于第一解吸附步骤，因此，借助阀70、72和74开通管道16a、20b和22a，而关闭管道16b、20a和22b。通过阀76和管道62、62b从加热介质源80供应加热介质来直接或间接加热解吸附沸石结构18″。通过阀78和管道64、64a从冷却介质源82供应冷却介质来直接或间接冷却吸附沸石结构18′。通过管道20、20b抽出解吸附的富氮气体，通过管道22、22a抽出富氧气体。在图中，还用符号表示了热交换装置66(如图2和3所示的金属结构52和60)。装置66还可表示热泵。
在图4B所示阶段B中，仍操作沸石结构18′用于吸附，但操作沸石结构18″用于第二解吸附步骤。因此，开通管道22b以便富氧空气能从沸石结构18″中赶出氮气。
在图4C所示阶段C中，操作沸石结构18′用于第一解吸附步骤，操作沸石结构18″用于吸附。因此，开通管道16b、20a和22b，而关闭管道16a、20b和22a。通过管道62、62a供应加热介质直接或间接加热解吸附沸石结构18′，通过管道64、64b供应冷却介质直接或间接冷却吸附沸石结构18″。通过管道20、20a抽出解吸附的富氮气体，通过管道22、22b抽出富氧气体。
在图4D所示阶段D中，仍操作沸石结构18″用于吸附，但操作沸石结构18′用于第二解吸附步骤。因此，开通管道22a以便富氧空气能从沸石结构18′中赶出氮气。
在阶段D后，连续重复该循环。尽管是结合二组件沸石结构来说明交替操作原理，但应认识到即使沸石结构包括大量单独的沸石组件，也可利用同样原理。在那种情况下，可控制包括冷却和加热的交替操作以获得该装置和该工艺的最佳效率。另外，应认识到可在没有外部加热和冷却介质时利用图4A-D所示原理，从而使用热交换器装置或热泵66进行热能转移。另外，可在吸附和解吸附阶段间没有压差或压差较小或压差较大的情况下完成上述工艺。
图5A-C显示了在其中沸石结构18包括旋转组件的本发明的实施例。在这里，设备18包括第一侧18a，其被通过管道64a供应的冷却介质冷却，和第二侧18b，其被通过管道62b供应的加热介质加热。旋转组件包括至少二个串联布置且它们中间具有隔壁(partition wall)52的沸石组件50a、50b，并优选在每个沸石组件50a、50b内部有导热体60。旋转组件优选以与沸石组件50a、50b的数量相应的增量(increment)转动，在所示情况下，步幅(steps)为顺时针方向45°。在冷却侧18a，空气16a进入吸附组件序列末端的沸石组件50a，即在下一步中其将移动到设备解吸附侧18b。引导空气/气体16a逆流通过设备18的吸附冷却侧18a中的沸石组件50a。在这些组件的每个之间布置管道53a等，以引导组件间的空气/气体。当沸石组件50a适宜地用氮气饱和时，它被移动到解吸附侧18b。通过管道22a抽出氧气或富氧空气，通过管道22a到设备18的吸附(优选)冷却侧18a，进入沸石组件50a中。部分氧气或富氧空气被引导到解吸附组件序列末端的沸石组件50b，即在下一步中其将移到到设备的吸附侧18a。逆流引导这种冲洗氧气或富氧空气22b通过设备18的解吸附加热侧18b中的沸石组件50b。在这些组件每个之间布置管道53b等引导组件间的空气/气体。当沸石组件50b适宜地解吸附后，它被移动到吸附侧18a。通过管道20b抽出氮气或富氮空气从管道20b到到设备18的解吸附(优选)加热侧18b，进入沸石组件50b中。
在图6A-C中，用包括六个沸石组件50a-f的沸石结构18的例子更详细地示出了基本的发明构思。对与图1-5中零件对应的零件使用相同的附图标记。应理解到图6A-C中的原理与图5A-C所示实施例中的相同，但是组件50a-f优选为固定的。因此，借助在不同时刻工作的不同管道和阀门(未示出)，组件50a-f在工艺流程中间歇运行地“移位”。但为了简明，在工艺的每个时间步内(图6A表示第一步骤，图6B表示随后的第二步骤，图6C表示直接跟在第二步骤后的第三步骤)，只示出在那个时刻工作的管道。用N-NNN符号表示不同沸石组件50a-f内的氮气饱和度，这里N为最低饱和度，NNN为最高饱和度。按照相对应的方式，用符号B-O-OOO表示此时通过沸石组件时气体中的氧气浓度，这里B为最低浓度，低于进料空气16a中的氧气浓度，O接近进料空气16a中的浓度，OOO为最高浓度。熟练技术人员在理解以下工艺顺序步骤时将没有任何问题，在工艺顺序中沸石组件50a-f经常间歇地变换到“饱和位置”。
图7A-B示出了布置为旋转组件的原型沸石结构18。为简明起见，图7A示出了设备18顶视图，而图7B为设备18的截面正视图，设想好象将其从圆形设备展开为直线设备而“没有任何褶皱”。对于与图1-6中零件相对应的零件，使用相同的附图标记。这里，用装填沸石材料的部分盘饶的管形成每个单独的沸石组件50a、50b。管壁52构成单独组件间的“隔壁”。每个沸石管组件50a、50b具有入口管接头83a和出口管接头83b。所有沸石管组件50a、50b的入口和出口管接头83a、83b都装在下部转盘84上。上部固定板85上装有分别将一个入口管接头83a连接到进料空气管道16a和将一个出口管接头83b连接到排出氮气或富氮空气管道20b的第一管接头87a和87b。上部固定板85还装有分别将一个出口管接头83b连接到排出氧气或富氧气体管道22a和将一个入口管接头83a连接到引入解吸附气体管道22b(如氧气或富氧气体管道22b)的第二管接头86a和86b。在具有6个组件50a、50b的所示实施方式中，对于工艺顺序的每一步，转盘84旋转加快以便每个组件50a、50b移动一步即60°。优选通过冷却装置(未示出)如冷气鼓风机冷却吸附侧18a，优选用加热装置(未示出)如热风鼓风机加热解吸附侧18b。
在图6A-C中，在图中显示出沸石组件50a-c具有向左侧的气体入口和向右侧具的气体出口，而在图中显示出沸石组件50d-f具有向右侧的气体入口和具有向左侧气体出口，这一事实不表达任何含意。实际上，在工艺顺序中气流方向(进料空气、压缩气或解吸附气)在每个单独沸石组件内可以被转换或可以是相同的。表1中描述了可想到的几种可能性。
表1
        吸附组件          解吸附组件
  单独组件   整个组件系统   单独组件   整个组件系统
  S   S   S   S
  D   S   S   S
  S   S   D   S
  D   S   D   S
  S   D   S   D
  D   D   S   D
  S   D   D   D
  D   D   D   D
  S   S   S   D
  D   S   S   D
  S   S   D   D
  D   S   D   D
  S   D   S   S
  D   D   S   S
  S   D   D   S
  D   D   D   S
对于单独组件，“S”是指单独组件中气流方向始终相同，分别与在吸附和解吸附侧内的“位置”无关，
对于单独组件，“D”是指分别在吸附和解吸附侧内在工艺顺序的二个连续步骤中气流方向不同，
对于整个沸石组件系统，分别在吸附和解吸附侧内，“S”是指分别在吸附和解吸附侧内，气流方向在给定工艺顺序步骤中对所有组件而言是相同的，
对于整个沸石组件系统，分别在吸附和解吸附例内，“D”是指分别在吸附和解吸附侧内，气流方向对于所有组件而言，分别在吸附和解吸附侧内，在工艺顺序的二个连续步骤中是不同的。
作为示例，图5C所示实施例为D/D/D/D，图7A-B所示实施例为S/S/S/S。
同样，可设想到的与单独沸石组件内气流方向相关的冷却和加热介质流动方向的几种可能性列于表2。
表2
  吸附组件   解吸附组件
  并流   并流
  并流   逆流
  逆流   并流
  逆流   逆流
  交错   并流
  交错   逆流
  并流   交错
  逆流   交错
  交错   交错
这里容易理解，“并流”是指冷却或加热介质具有通过或沿着一个或多个沸石组件的与气体(进料空气、压缩气或解吸附气)相同的方向。“逆流”是指冷却或加热介质具有通过或沿着一个或多个沸石组件的与气体(进料空气、压缩气或解吸附气)方向相反。“交错”是指冷却或加热介质的方向既不是并流也不是逆流，即通常的横向流，如图5A所例示。关于图3F，应理解通道61可作为并流或逆流(但不是交错)的加热或冷却介质流的途径。然而，尽管未示出，但是可以设想形成金属结构52，使得通道61相对于沸石栅格54为横向。
可以设想在进料空气16a和解吸附气22b进入沸石组件前冷却所述进料空气16a和加热所述解吸附气22b，以分别代替供应加热和冷却介质直接加热和冷却沸石组件。另外，可对连接管道53a和53b的沸石组件内的气体分别进行冷却和加热。(关于附图标记参考图5和6)。在这种情况下，将冷却和加热归为并流。例如，可以将气流冷却至低于环境温度至少5℃和最多低100℃，或加热至高于环境温度至少5℃和最多高100℃。
本发明不受列出的实施方式的限制，而可在权利要求的范围内改变。

Claims (47)

1.一种与氧气或富氧空气的生产有关的方法，在此方法中，输送工艺进料空气通过具有氮氧吸附性能的吸附材料结构，该吸附材料结构包括至少三个吸附材料组件，在第一和第二阶段间歇操作吸附材料组件，所述第一阶段包括从空气中吸附氮气，所述第二阶段包括从吸附材料组件中解吸附由其吸附的氮气，
其特征在于在操作过程中的所有情况下，以下情况b和c中的一个或二个是有效的：
b)在所述第一吸附阶段使所述至少三个吸附材料组件中的至少二个但不是全部工作，同时使所述至少三个吸附材料组件中的其余组件工作在第二解吸附阶段，在接近或超过大气压的压力下，使所述进料空气连续通过所述至少二个吸附材料组件，以形成氮气梯度，所述氮气梯度在上游空气入口组件处最高，在所述连续组件的下游氧气或富氧空气出口组件处最低；
c)在所述第二解吸附阶段使所述至少三个吸附材料组件中的至少二个但不是全部工作，同时使所述至少三个吸附材料组件中的其余组件工作在第一吸附阶段，压力被释放和/或被解吸附的气体连续地通过所述至少二个吸附材料组件，以形成氮气梯度，所述氮气梯度在上游解吸附气体入口组件处最低，在所述连续组件的下游氮气或富氮气体出口组件处最高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法是在基本恒压下完成的，以使在所述第一吸附阶段和所述第二解吸附阶段间吸附材料组件内的温度发生变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第一吸附阶段和所述第二解吸附阶段间使吸附材料组件内的温度和压力同时变化，吸附阶段和解吸附阶段间的压差可达100bar。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过50bar。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过30bar。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过10bar。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过2bar。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过1bar。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过0.5bar。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述压差不超过0.2bar。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于在吸附阶段从吸附材料组件中转移出热能和在解吸附阶段将热能转移到吸附材料组件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于借助冷却介质转移从吸附阶段被转移出的所述热能和借助加热介质转移被转移到解吸附阶段的所述热能。
13.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于所述吸附材料结构包括至少四个单独的吸附材料组件。
14.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于所述吸附材料结构包括至少六个单独的吸附材料组件。
15.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于所述吸附材料结构包括至少九个单独的吸附材料组件。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于通过吸附和解吸附吸附材料组件之间的热交换实现所述热能转移。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于借助以吸附吸附材料组件作为热源和解吸附吸附材料组件作为冷源工作的热泵工艺实现所述热能转移。
18.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于所述解吸附阶段包括为从吸附材料组件解吸附氮气而释放压力的第一步骤和为从沸石中洗出被吸附的氮气而输送空气、氧气或富氧空气冲洗吸附材料组件的第二步骤，由此交替操作所述吸附材料组件用于做为加压阶段的所述吸附阶段、所述解吸附阶段的第一步骤和所述解吸附阶段的第二步骤。
19.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于将被解吸附的氮气用于进料空气的冷却，和/或用于进料空气所用干燥物质的再生干燥。
20.根据前述权利要求1-10任一所述的方法，其特征在于将其结合到涡轮发动机工艺中，来自能量生产和/或化学工艺的废气被释放压力，释放压力时回收的能量用于压缩所述进料空气，其中产生的氧气或富氧空气用于所述能量生产和/或所述化学工艺。
21.一种用于生产氧气或富氧空气的装置，包括用于进料空气进入并通过具有氮氧吸附性能的吸附材料结构的入口，所述吸附材料结构包括至少三个被布置用于从空气中吸附氮气的吸附材料组件，并且还包括用于在第一和第二阶段间歇操作所述吸附材料组件的装置，所述第一阶段包括从空气中吸附氮气，所述第二阶段包括从吸附材料组件中解吸附由其吸附的氮气，
其特征在于：
b)所述用于间歇操作的装置被布置用于在第一吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的至少两个但不是全部，同时在第二解吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的其余组件，管道装置被布置用于将所述三个吸附材料组件中的所述至少二个可操作地并连续地连接到用于所述第一吸附阶段的所述进料空气入口，
和/或
c)所述用于间歇操作的装置被布置用于在第二解吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的至少两个但不是全部，同时在第一吸附阶段操作所述至少三个吸附材料组件中的其余组件，管道装置被布置用于将所述三个吸附材料组件中的所述至少二个可操作地并连续地连接到用于所述第二解吸附阶段的被释放的气体和/或解吸附气体入口。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于所述装置还包括在吸附阶段将热能转移出所述吸附材料组件和在解吸附阶段将热能转移到所述吸附材料组件的装置。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于所述用于转移热能的装置包括冷却介质源和用于利用冷却介质冷却吸附材料组件的装置，以及加热介质源和用于利用加热介质加热吸附材料组件的装置。
24.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于所述吸附材料结构包括至少四个单独的吸附材料组件。
25.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于所述吸附材料结构包括至少六个单独的吸附材料组件。
26.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于所述吸附材料结构包括至少九个单独的吸附材料组件。
27.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于用于按照以下二个步骤完成所述解吸附阶段的装置：释放压力以从吸附材料组件中解吸附氮气的第一步骤和输送空气、氧气或富氧空气冲洗吸附材料组件以从沸石中冲洗出被吸附的氮气的第二步骤，由此布置所述吸附材料组件以被交替操作，用于做为加压阶段的所述吸附阶段、所述解吸附阶段的第一步骤和所述解吸附阶段的第二步骤。
28.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于所述吸附材料结构包括布置成旋转组件的吸附材料组件。
29.根据权利要求22的所述装置，其特征在于所述转移热能的装置包括被设置以所述吸附吸附材料组件作为热源和以所述解吸附吸附材料组件作为冷源工作的热泵。
30.根据权利要求22所述的装置，其特征在于所述转移热能装置包括用于所述吸附和解吸附吸附材料组件之间的热交换的装置。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于将每个吸附材料组件成形为细长体，其具有1-1000mm的最大直径或横截面宽度，并且其具有100mm-100m的长度，为实现所述热交换，所述吸附材料组件被彼此紧密排列。
32.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述横截面宽度为2-100mm。
33.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述横截面宽度为2-50mm。
34.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述横截面宽度为2-10mm。
35.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述长度为150mm-10m。
36.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述长度为200mm-5m。
37.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述长度为200mm-1m。
38.根据权利要求31所述的装置，其特征在于所述细长体是由大量沸石材料短块构成。
39.根据权利要求31-38任一所述的装置，其特征在于所述细长体具有比圆形横截面的棒的圆周长度大的周边长度，其中棒具有与细长体横截面积相等的横截面积。
40.根据权利要求30-38中任一权利要求所述的装置，其特征在于所述吸附材料组件被布置在导热材料结构内。
41.根据权利要求40所述的装置，其特征在于每个吸附材料组件被布置在所述导热材料结构自身的栅格内。
42.根据权利要求40所述的装置，其特征在于用于所述热交换的附加装置布置在所述结构内。
43.根据权利要求40所述的装置，其特征在于用于使空气通过的直通通道被布置在所述吸附材料组件的外部成形表面和导热材料结构之间布置空气通过的通道。
44.根据权利要求23和30-38任一所述的装置，其特征在于用于使所述加热介质或所述冷却介质通过吸附材料结构的直通通道被布置在导热材料结构中。
45.根据权利要求21-23和29-38中任一权利要求所述的装置，其特征在于吸附材料组件具有蜂窝状结构，借此在吸附材料组件内提供空气通过的通孔。
46.根据权利要求21-23中任一权利要求所述的装置，其特征在于解吸附氮气出口用于进料空气的冷却，和/或用于进料空气所用干燥物质的再生干燥。
47.根据权利要求21-23任一所述的装置，其特征在于所述装置被结合到涡轮发动机装置内，包括用于在废气释放压力时，从来自能量生产和/或来自化学工艺的废气中回收能量的装置，和用于将在释放压力时回收的能量传输到用于所述工艺的进料空气的压缩机中的装置，其中用于所生产的氧气或富氧空气的出口被布置用于在所述能量生产和/或所述化学工艺中利用所述氧气或富氧空气。
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