CN216038664U - 一种基于串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置 - Google Patents

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刘安涟
韩冬
施宏毅
王俊新
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宋劭
严军
范灏
申广浩
王晨
顾修筑
谢东红
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沈晓冬
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Abstract

本实用新型属于气体分离技术领域,具体为一种基于串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置。本实用新型装置包括:压缩设备,用于提供有压力的原料气;至少一套变压吸附祛氧装置和一套变压吸附祛氮装置,以及两套装置之间控制阀门,用于切断、调节两级之间的气体流动;至少一个产品气缓冲罐,它与祛氮分离器的产物端通过控制阀门及其连接管线,接受来自祛氮分离器的产品气体,并将产品气体通过祛氮分离装置的产物端送入正在进行预充压、清洗过程的祛氮分离装置中;一套完整的控制组件,用以对回路上的阀件进行必要的操作控制,以及对压缩设备、真空泵动力设备进行必要的控制操作。本装置可将含氧、氮的粗氩混合气提纯得到99%甚至99.9999%的高纯氩气。

Description

一种基于串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置
技术领域
本实用新型属于气体分离技术领域,具体涉及一种基于串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置。
背景技术
变压吸附(PSA)是一种重要的、具有广泛应用的气体分离方法,如变压吸附干燥、变压吸附制氧、制氮等等,通常,采用不同的吸附剂,可基于平衡吸附或动力学分离特性的变压吸附方法分离不同的混合气,从而获得所需的组分。
深冷空分的副产品气体中,粗氩馏分通常采用复杂的催化、氧化、吸附等耦合的工艺过程祛除杂质气体以获得高纯度氩气(精氩),工艺复杂,投资大,设备占地大,采用的催化、氢等介质氧化过程不仅存在寿命低,运行、维护保养价格高昂,还存在一定的操作使用风险,尤其深冷空分应用领域中,尚有大量排空的粗氩、废氩,如果加以回收,将产生巨大的经济效益,因此,亟需一种简单有效的解决方案。
发明内容
鉴于以上情况,针对同时含氧、含氮的粗氩混合气,本实用新型提出以非深冷空分技术手段祛除其中的氧气、氮气,从而获得高纯度氩气(精氩)装置。
本实用新型提出的高纯度氩气(精氩)提取装置,是采用基于平衡吸附机理的氧吸附剂的变压吸附技术祛除氧气,与基于平衡吸附机理的氮吸附剂的变压吸附技术祛除氮气,将两者串联耦合,即提取过程包括前级变压吸附的祛氧过程和次级变压吸附的祛氮过程。其中:
基于平衡吸附机理的氧吸附剂的变压吸附技术祛除氧气,如常规技术,采用装填氧吸附剂的吸附床层去除混合气体中的氧气,如公知技术,对原料气中的水分,可以在床层内原料气侧安装部分干燥吸附剂,以确保分离材料不被污染;
基于平衡吸附机理的氮吸附剂的变压吸附技术祛除氮气,如常规技术,采用装填氮吸附剂的吸附床层去除混合气体中的氮气;
并且,本实用新型中,两级变压吸附的有机耦合过程,含氧、含氮的粗氩混合气将顺序进入祛氧吸附床层与祛氮吸附床层;
并且,本实用新型中,两级变压吸附的有机耦合过程,在对称运行的两组或多组床层之间设计了气体回收回路,以最大限度的减少氩气损失,提高回收率;
并且,本实用新型中,将祛氧吸附分离过程产生的废气的至少一部分回流到对称分离床层,有利于对称分离床层的升压过程以及减少解吸过程的功率消耗,提高系统回收率;
并且,本实用新型中,将祛氮吸附分离过程产生的废气的至少一部分回流到对称分离床层,有利于对称分离床层的升压过程以及减少解吸过程的功率消耗,提高系统回收率;
并且,本实用新型中,产品精氩的至少一部分将回流到祛氮吸附床层的产物端。
显然,采用本实用新型的方法,还可调整吸附剂用以祛除其它气体杂质,典型的如水分、二氧化碳、总烃等杂质气体,优选的,可按脱除顺序采用相应的吸附剂分层装填于祛氧、祛氮吸附床层内。
基于上述原理,本实用新型提供的以非深冷空分技术手段祛除含氧、含氮的粗氩混合气其中的氧气、氮气,从而获得高纯度氩气(精氩)的装置,包括:
(1)至少一个压缩设备,用于提供必要的有压力的原料气,优选但非必要的包括预处理所需的装置(附图未示出),如含氧、含氮的粗氩混合气具有30~600kpa(表压)的压力则无需配套;
(2)至少一套公知技术的变压吸附祛氧装置,作为提纯装置的第一级。它至少包括一个吸附塔,吸附塔内装有氧吸附剂,典型的,如采用稀土X、碳分子筛改性的具有平衡吸附特性的氧吸附剂,还可在原料气进气端复合装填如活性氧化铝、13X、硅胶等吸附水的分子筛的一种或多种组合以祛除混合气中含有的水分、总烃、二氧化碳等杂质气体(如混合气中常压露点≦-15℃,也不含杂质气体,则无需装填),以及进气阀门及其必要的连接管线,排气阀门及其必要的连接管线,产气阀门及其必要的连接管线;
(3)至少一套公知技术的变压吸附祛氮装置,作为提纯装置的第二级,它至少包括一个吸附塔,吸附塔内装有氮吸附剂,典型的,如采用NaX、CaX、LiX等具有平衡吸附特性的氮吸附剂,以及进气阀门及其必要的连接管线,排气阀门及其必要的连接管线,产气阀门及其必要的连接管线;
(4)在前述祛氧分离器的产物端与祛氮分离器的进气端之间设置有控制阀门,用于切断两级之间的气体流动,并且前述祛氧分离器对称运行分离器的产物端之间设置有控制阀门,用于调节、切断两级之间的气体流动;
(5)在前述祛氮分离器的产物端设置产气阀门及其必要的连接管线,反吹阀门及其必要的连接管线;并且前述祛氮分离器对称运行分离器的产物端之间设置有控制阀门,用于调节、切断两级之间的气体流动;
(6)至少一个产品气缓冲罐,它与祛氮分离装置的产物端通过设置的控制阀门及其必要的连接管线相连接,用以接受来自祛氮分离装置的产品气体,并将产品气体通过祛氮分离装置的产物端送入正在进行预充压、清洗过程的祛氮分离装置中;
(7)一套完整的控制组件,用以对回路上的阀件进行必要的操作控制,以及对压缩设备、真空泵等动力设备进行必要的控制操作。
本实用新型可以用于采用一种、多种吸附剂从难吸附/透过的气体中分离出不容易被吸附的气体,易吸附/透过组分,或者难吸附/透过组分,都可以单独或者同时作为所需的产品气。本实用新型优先应用于基于平衡吸附理论而非动力学分离理论的PSA过程,但不排除基于动力学分离理论的PSA过程可以采用本实用新型以实现本实用新型目的。所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本实用新型,可以实现分离的典型实例包括:
用选择性吸附N2的吸附材料来从空气中回收N2
用选择性吸附O2的吸附材料来从空气中回收O2
用选择性吸附CO的吸附材料来从气化煤中富集CO;
用选择性吸附CO2的吸附材料来从气化煤中祛除CO2
实现CO2/CH4的分离、CO2/N2的分离、H2/N2的分离和烯烃/烷烃的分离等。
从含O2和Ar的气体(例如变压吸附耦合膜分离空气分离制取的)混合气中分离O2或Ar。
还可使用一种或者多种适当的吸附剂的任何组合来分离,例如,使用CaA沸石、LiX沸石、或者任何其它的特效分离材料来回收氧或氮;难以被吸附/透过的气体自非进料端富集而较容易被选择性吸附/透过的组分自另一端富集。
本实用新型中,所说的产品气,是指较难被吸附剂吸附的气体,如对氮吸附剂来说,氮气较容易被吸附,氧气、氩气则难以吸附,对氧吸附剂来说,氧较容易被吸附,而氩较难以吸附。
本实用新型中,所说的废气,是指相对产品气来说较容易被吸附剂吸附的气体,如氮气、氧气等相对氩气来说较容易被氮吸附剂、氧吸附剂吸附。
本实用新型中,所说吸附剂,也称为分子筛,用以变压吸附干燥的分子筛如13X,活性氧化铝,硅胶等,用以由空气流生产氧气的传统PSA法中通常采用如CaA,CaX,NaX,LiX型等氮吸附剂来基于平衡吸附理论制氧。
本实用新型中,所说的吸附塔,也可称为吸附器、吸附床、分离器,是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器,吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力。
本实用新型中,所述变压吸附、吸附分离,PSA等词,本专业的技术人员周知,这些方法所指不仅是PSA方法,还包括与之类似的方法,如真空变压吸附(Vacuum SwingAdsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等,要在更宽广的意义上理解,也就是说,对于周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力,可以包括大于或等于大气压力,而周期性循环的解吸压力,一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力,则包括小于或等于大气压力。
本实用新型装置,不排除使用多组并列的吸附分离器进行分离,吸附分离器的气流形式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的形式。本专业的技术人员会知晓,甚至可以采用三塔或更多的各种型式分离器进行分离,通过设置必要的附加管线与切换阀门即可。
产品气缓冲罐,可以采用诸如公知技术所描述的一样,在容器内附加必要的填料,以取得更节约的缓冲体积。
本实用新型装置,在原料气入口、中间过程与产品气出口端,可以设置必要的气体检测设备,在分离器、缓冲罐上安装必要的压力检测、露点检测、纯度检测设备,从而形成一种完全按照所需压力与纯度来运行的系统,并由智能控制程序予于控制。在本技术领域实现起来却并不困难,有经验的技术人员可知,设备的调试过程几乎就是系统自适应到稳定的过程,在故障的判断上,控制程序将给予维护维修人员更充分的信息,甚至直接指定故障点。
以上所描述的装置中,可作出各种不同变动而不会背离本实用新型的范围。
附图说明
图1是本实用新型的一种串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置示意图。
具体实施方式
如附图1,是一种典型的串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置示意图。
其中,第一级变压吸附祛氧装置包括两个并联的吸附塔101A、吸附塔101B,其中装填有氧吸附剂;第二级变压吸附祛氮装置包括两个并联的吸附塔101C、吸附塔101D,其中装填有氮吸附剂;第一级中的吸附塔101A与第二级中的吸附塔101C串联,第一级中的吸附塔101 B与第二级中的吸附塔101D串联;第一级中两个吸附塔101A、吸附塔101B的进气口通过管道分别与原料氩气管路连接,在该两路连接管道对应设置有控制阀门01A、01B;同时,第一级两个吸附塔101A、吸附塔101B的进气口通过管道分别与一真空泵B01连接,在该两路连接管道对应设置有控制阀门02A、02B;另外,第一级两个吸附塔101A、吸附塔101B的出气口通过管道相连接,在该连接管道上设置有阀门TV01;第二级的吸附塔101C、吸附塔101D的出气口通过管道相连接,在该连接管道上设置有阀门TV02;同时,第二级吸附塔101C、吸附塔101D的出气口(在阀门TV02的后端位置)通过并联两路管道分别与缓冲罐PV01连接;在该并联的两路连接管道上,对应于吸附塔101C,分别设置有阀门03A、O5A,应于吸附塔101D,分别设置有阀门03B、O5B。
上述阀门01A,02A,03A,05A,V01A ,01B,02B,03B,05B,V01B, 可以是自动控制阀门,它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭,当然,也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门,如TV01、TV02,这些阀门都可以是气动控制的,也可以是电动、液压控制的自动阀。
两级吸附塔中:吸附塔101A与吸附塔101C,吸附塔101B与吸附塔101D,分别串联连接,组成两组对称运行的串联吸附组件。
本实用新型中氧吸附剂,典型的,如采用稀土X、碳分子筛改性的具有平衡吸附特性的氧吸附剂,还可在原料气进气端复合装填如活性氧化铝、13X、硅胶等吸附水的分子筛的一种或多种组合以祛除混合气中含有的水分、总烃、二氧化碳等杂质气体(如混合气中常压露点≦-15℃,也不含杂质气体,则无需装填)。
本实用新型中氮吸附剂,典型的,如采用NaX、CaX、LiX等具有平衡吸附特性的氮吸附剂;
通常,该装置接收已经完成预处理的较为洁净的原料气,典型的,如脱除了夹带的水分、固体颗粒杂质以及油份等总烃、二氧化碳后进入;如公知技术,这些对气体分离系统来说是非常必要的。
如上所述,经处理后的原料气,进入附图1所描述的公知技术的变压吸附分离系统后自真空泵出口排除含有的氧气、氮气、水分、二氧化碳、总烃等组分,自缓冲罐PV01输出精氩。
该变压吸附制氧系统是典型的双塔吸附系统,101A吸附并祛除氧气,101C吸附并祛除氮气时,101B、101D即完成再生,当101A、101C吸附饱和时,即切换为已经完成再生的101B、101D进行祛氧、祛氮过程,101A、101C进行再生,这种基于平衡吸附机理的变压吸附过程,采用双塔装置时的异相顺序运行,典型的操作流程如下:
(1)打开01A,05A,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01A进入吸附分离床层的一组的祛氧吸附床层101A,提纯后的产品气精氩自缓冲罐PV01经05A进入祛氮吸附床层101C内预充压;同时,打开02B,V01B,吸附饱和的对称组吸附床层的101B、101D泄压进行再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(2)打开01A,V01A,03A,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01A进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101A内被吸附,然后经V01A进入祛氮吸附床层101C内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03A被送入缓冲罐;同时,打开02B,吸附饱和的对称组吸附床层的101B进行真空再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(3)打开01A,V01A,03A,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01A进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101A内被吸附,然后经V01A进入祛氮吸附床层101C内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03A被送入缓冲罐;同时,打开02B,V01B,吸附饱和的对称组吸附床层的101B、101D进行真空再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(4)打开01A,V01A,03A,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01A进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101A内被吸附,然后经V01A进入祛氮吸附床层101C内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03A被送入缓冲罐;同时,打开02B,V01B,打开TV01并调整至10~80%的开度,以满足对称组更高纯度的氩气进入对称组101B进行吹扫,强化101B的再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(5)打开01A,V01A,03A,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01A进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101A内被吸附,然后经V01A进入祛氮吸附床层101C内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03A被送入缓冲罐;同时,打开02B,V01B,打开TV02并调整至10~80%的开度,以满足对称组更高纯度的氩气进入对称组101B进行吹扫,强化101B的再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(6)打开01B,05B,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01B进入吸附分离床层的一组的祛氧吸附床层101B,提纯后的产品气精氩自缓冲罐PV01经05B进入祛氮吸附床层101D内预充压;同时,打开02A,V01A,吸附饱和的对称组吸附床层的101A、101C泄压进行再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(7)打开01B,V01B,03B,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01B进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101B内被吸附,然后经V01B进入祛氮吸附床层101D内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03B被送入缓冲罐;同时,打开02A,吸附饱和的对称组吸附床层的101A进行真空再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(8)打开01B,V01B,03B,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01B进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101B内被吸附,然后经V01B进入祛氮吸附床层101D内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03B被送入缓冲罐;同时,打开02A,V01A,吸附饱和的对称组吸附床层的101A、101C进行真空再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(9)打开01B,V01B,03B,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01B进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101B内被吸附,然后经V01B进入祛氮吸附床层101D内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03B被送入缓冲罐;同时,打开02A,V01A,打开TV01并调整至10~80%的开度,以满足对称组更高纯度的氩气进入对称组101A进行吹扫,强化101A的再生,废气在真空泵的作用下排向大气;
(10)打开01B,V01B,03B,含有氧、氮的粗氩混合气的原料气经01B进入吸附分离床层的一组,首先氧气在祛氧吸附床层101B内被吸附,然后经V01B进入祛氮吸附床层101D内氮气被吸附,从而产生高纯度的氩气(精氩)经03B被送入缓冲罐;同时,打开02A,V01A,打开TV02并调整至10~80%的开度,以满足对称组更高纯度的氩气进入对称组101A进行吹扫,强化101A的再生,废气在真空泵的作用下排向大气。
上述步骤中,除指定开启阀门之外,其余阀门全部为关闭状态,可通过调整TV01、TV02控制清洗再生流量。
按上述步骤,当一组吸附饱和后,通过控制切换流体控制阀门以控制流体进入至对称的吸附组,而吸附饱和的吸附组进行再生,如此循环往复,即可将含氧、氮的粗氩混合气提纯至纯度99%甚至99.9999%的高纯氩气。
显然,采用本实用新型的方法,还可调整吸附剂用以祛除其它气体杂质,典型的如水分、二氧化碳、总烃等杂质气体,优选的,可按脱除顺序采用相应的吸附剂分层装填于祛氧、祛氮吸附床层内。
上面所描述的实施方法仅阐述本实用新型的一些重要特征,本专业的技术人员应该知道,尽管本实用新型结合附图进行了部分描述,但这仅仅是本实用新型的一个应用实例,一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本专利的范畴,本实用新型的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。

Claims (2)

1.一种基于串联变压吸附分离技术的氩气提纯装置,其特征在于,包括:
(1)至少一个压缩设备,用于提供必要的有压力的原料气;
(2)至少一套变压吸附祛氧分离装置,作为提纯装置的第一级,它至少包括一个祛氧吸附塔,吸附塔内装有氧吸附剂;以及进气阀门及其必要的连接管线,排气阀门及其必要的连接管线,产气阀门及其必要的连接管线;
(3)至少一套变压吸附祛氮分离装置,作为提纯装置的第二级,它至少包括一个祛氮吸附塔,吸附塔内装有氮吸附剂,以及进气阀门及其必要的连接管线,排气阀门及其必要的连接管线,产气阀门及其必要的连接管线;
(4)在前述祛氧分离装置的产物端与祛氮分离装置的进气端之间设置有控制阀门,用于切断两级之间的气体流动,并且前述祛氧分离装置对称运行分离器的产物端之间设置有控制阀门,用于调节、切断两级之间的气体流动;
(5)在前述祛氮分离装置的产物端设置产气阀门及其必要的连接管线,反吹阀门及其必要的连接管线;并且前述祛氮分离装置对称运行分离器的产物端之间设置有控制阀门,用于调节、切断两级之间的气体流动;
(6)至少一个产品气缓冲罐,它与祛氮分离装置的产物端通过设置的控制阀门及其必要的连接管线相连接,用以接受来自祛氮分离装置的产品气体,并将产品气体通过祛氮分离装置的产物端送入正在进行预充压、清洗过程的祛氮分离装置中;
(7)一套完整的控制组件,用以对回路上的阀件进行必要的操作控制,以及对压缩设备、真空泵动力设备进行必要的控制操作。
2.根据权利要求1所述的氩气提纯装置,其特征在于,第一级变压吸附祛氧装置包括两个并联的祛氧吸附塔101A、101B,其中装填有氧吸附剂;第二级变压吸附祛氮装置包括两个并联的祛氮吸附塔101C、101D,其中装填有氮吸附剂;第一级中的祛氧吸附塔101A与第二级中的祛氮吸附塔101C串联,第一级中的祛氧吸附塔101 B与第二级中的祛氮吸附塔101D串联;第一级中两个祛氧吸附塔101A、101B的进气口通过管道分别与原料氩气管路连接,在该两路连接管道对应设置有控制阀门01A、01B;同时,第一级两个祛氧吸附塔101A、101B的进气口通过管道分别与一真空泵B01连接,在该两路连接管道对应设置有控制阀门02A、02B;另外,第一级两个祛氧吸附塔101A、101B的出气口通过管道相连接,在该连接管道上设置有阀门TV01;第二级的两个祛氮吸附塔101C、101D的出气口通过管道相连接,在该连接管道上设置有阀门TV02;同时,第二级祛氮吸附塔101C、101D的出气口通过并联两路管道分别与缓冲罐PV01连接;在该并联的两路连接管道上,对应于祛氮吸附塔101C,分别设置有阀门03A、O5A,对应于祛氮吸附塔101D,分别设置有阀门03B、O5B。
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