CN2643985Y

CN2643985Y - 一种分离空气制取高浓度氧气的变压吸附装置

Info

Publication number: CN2643985Y
Application number: CN 03253038
Authority: CN
Inventors: 刘应书; 崔红社; 乐恺; 侯庆文; 张德鑫
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-09-28
Filing date: 2003-09-28
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2013-09-28

Abstract

一种变压吸附分子筛制高浓度氧装置，具体地说是采用两级变压吸附工艺制备高浓度氧气的设备。该装置由过滤器(1)，无油空气压缩机(2)，冷却器(3)，气动切换阀(4)、(5)、(6)、(7)、(11)，5A沸石分子筛吸附塔(8)、(9)，单向阀(12)、(13)，减压阀(14)，储气罐(15)组成，其特征在于两个5A沸石分子筛吸附塔(8)、(9)之间加了一个节流孔(10)，在一级变压吸附装置之后又增加了二级变压吸附装置，二级变压吸附装置中碳分子筛吸附塔(22)、(23)装有对氧气具有吸附特性的碳分子筛。利用现有的5A沸石分子筛和碳分子筛作为吸附剂，采用两级变压吸附工艺流程分离空气制取浓度超过99％以上氧气，其特点是工艺流程简单，技术上容易实现，产品气浓度高，可以为中小规模用户提供高浓度氧。

Description

一种分离空气制取高浓度氧气的变压吸附装置

技术领域

本实用新型专利涉及空气分离领域的一种变压吸附分子筛制高浓度氧装置，具体地说是采用两级变压吸附工艺制备高浓度氧气的设备。

背景技术

高浓度氧气一般是指浓度大于99％的氧气，工业上大规模制备主要利用低温精馏法。而目前存在着大量的中小规模的高浓度氧用户，例如实科学实验用氧源、机载供氧系统、战地医院医疗用氧以及一些边远地区的医院抢救用氧等。对于这些用户，采用低温法制高浓度氧明显不合适。采用变压吸附技术的制氧系统适合于中小型规模的氧气用户，但采用该技术所获得的氧气产品的最高浓度为95％，其不纯组分主要为氩气。原因是氧气和氩气分子直径和四极矩十分接近，它们在沸石分子筛上表现出非常相同的吸附性能。利用不同气体分子的平衡吸附作用的差异不能实现氧气和氩气的有效分离。

近年来，一些研究人员对采用变压吸附制高浓度度氧技术进行了初步探索性的理论以及实验研究。George等人则提出，采用对氩气具有吸附特性的碳分子筛作为吸附剂，分离氧、氩混合气体中的氩气，得到浓度高于95％以上的氧气。该技术的关键是具有氩气吸附特性碳分子筛的制备，目前该种碳分子筛的还不能达到有效分离氧、氩的目的。Hayashi S等人研究了采用CMS+ZMS制高浓度氧的工艺流程。第一级用碳分子筛作为吸附剂，利用氧氮分子与氩分子在碳分子筛上扩散速率的差异分离空气中的氩气。第二级用沸石分子筛作为吸附剂，利用氧、氮分子在沸石分子筛上平衡吸附量的不同进一步分离富氧气体中的氮气，得到高浓度的氧气。该工艺在原理上可以分离空气得到高浓度氧，但由于两级吸附过程中处理的气量均很大，需要的分子筛量大，造成设备庞大。

发明内容

本发明目的在于提供一种变压吸附分子筛制高浓度氧装置，解决氩气吸附特性碳分子筛制备难的问题，同时解决CMS+ZMS制高浓度氧的工艺设备庞大的的问题。

一种分离空气制取高浓度氧气的变压吸附装置，该装置由过滤器1，无油空气压缩机2，冷却器3，气动切换阀4、5、6、7、11，5A沸石分子筛吸附塔8、9，单向阀12、13，减压阀14，储气罐15组成，其特征在于两个5A沸石分子筛吸附塔8、9之间加了一个节流孔10。由于节流孔具有完全对称的结构特点，可以保证气体在不同流动方向时阻力特性的相同，从而保证了工作过程中两个吸附塔的反吹量相同，避免了由于反吹量不同而导致的系统不平衡现象的出现。另外，节流孔通过其节流作用可以保持处于高压吸附阶段分子筛床层的压力，以促进氮气在分子筛上的吸附，提高氧、氮分离效果。同时，节流孔的节流降压作用可以准确控制反吹量的大小，以得到变压吸附装置的最佳运行工况。节流孔的详细结构见图2，其中各尺寸的范围如下：长度L1：2mm～20mm；长度L2：0.2mm～2mm；直径D1：1mm～10mm；直径D2：0.1mm～5mm；角度A：21°～75°。

为了进一步提高氧气浓度，本发明在一级变压吸附装置之后又增加了二级变压吸附装置，二级变压吸附装置由流量调节阀16，氧气增压机17，气动切换阀18、19、20、21、24、25、27、28，碳分子筛吸附塔22、23，流量调节阀26，真空泵29组成，碳分子筛吸附塔22、23中装有具有氧气吸附特性碳分子筛吸附床。

利用现有的5A沸石分子筛和碳分子筛作为吸附剂，采用两级变压吸附工艺流程分离空气制取浓度超过99％以上氧气，其特点是工艺流程简单，技术上容易实现，产品气浓度高，可以为中小规模用户的提供高浓度氧。

为了分离空气制备浓度超过99％以上的氧气，本发明采用的技术方案是：空气经过滤器1进入无油压缩机2压缩后，随后在空气冷却器3冷却。此时，控制部分输出控制信号，气动阀门4、7开启，5、6、11关闭。原料气经阀门4进入5A沸石分子筛吸附塔9。利用氧、氮分子在5A沸石分子筛上平衡吸附量的差异，即氮气的平衡吸附量大于氧气在5A沸石分子筛上的平衡吸附量。在加压条件下，空气中的氮气被分子筛床层吸附，而氧氩的混合气从吸附塔出口排出。其中一部分作为产品气经单向阀13、减压阀14进入储气罐15，作为第二级吸附单元的进气。从5A沸石分子筛吸附塔9排出另一部分气体作为反吹气经节流孔10进入5A沸石分子筛吸附塔8，对处于解吸阶段的吸附床逆向反吹清洗，以促进分子筛吸附床的再生。在5A沸石分子筛吸附塔9内的分子筛床层吸附达到饱和之前，阀门4、5、6、7关闭，阀门11开启，此时，5A沸石分子筛吸附塔9结束吸附阶段，而5A沸石分子筛吸附塔8结束反吹清洗阶段。两个5A沸石分子筛吸附塔进行均压。均压过程结束后，阀门5、6开启，阀门4、7、11关闭，5A沸石分子筛吸附塔8升压吸附，5A沸石分子筛吸附塔9减压解吸。吸附阶段完成后，两个5A沸石分子筛吸附塔进行均压，完成一个完整的变压吸附循环周期。经过沸石分子筛作为吸附剂的变压吸附过程后，空气中的氮气组分被分离，氧气的浓度达到95％，其不纯组分主要为氩气。

从第一级出来的氧、氩混合气体(氧95％、氩5％)，进入储气罐15。然后经氧气增压机提高压力后，进入第二级吸附单元。此时，控制系统输出阀门切换信号，气动阀门18、21、24开启，气动阀门19、20、25关闭。经过增压后的富氧气体通过阀门18进入碳分子筛吸附塔22，由于氧、氩分子在碳分子筛上扩散速率的差异，即氧气分子在碳分子筛上的扩散速率远远大于氩气分子在碳分子筛上的扩散速率，加压条件下，氧气分子首先扩散到碳分子筛孔径内部，被分子筛床层吸附，而氩气组分和一部分未被吸附的氧气穿过吸附床，经气动阀门24和流量调节阀26后排出系统。碳分子筛吸附塔22内的碳分子筛达到饱和后，气动阀门19、20、25开启，气动阀门18、21、24关闭。碳分子筛吸附塔23进气，开始吸附过程。同时碳分子筛吸附塔22减压解吸，解吸气经气动阀门20流出。解吸开始阶段，从碳分子筛吸附塔22解吸的气体经气动阀门28回到储气罐15。5(s)后，气动阀门28关闭，27开启，从碳分子筛吸附塔22解吸的气体经阀门27、真空泵29得到高浓度的氧气产品，产品气的浓度可以达到99％以上。两个碳分子筛吸附塔交替进行吸附和解吸过程，就可以从解吸气中不断得到高浓度的氧气产品。

附图说明

图1为两级变压吸附制取高浓度氧气装置结构图；

图1装置组成为：过滤器1；无油空气压缩机2；冷却器3；气动切换阀4、5、6、7、11；5A沸石分子筛吸附塔8、9；节流孔10；单向阀12、13；减压阀14；储气罐15；流量调节阀16；氧气增压机17；气动切换阀18、19、20、21、24、25、27、28；碳分子筛吸附塔22、23；流量调节阀26；真空泵29。

图2为节流孔10的结构图

具体实施方式

参见图1，无油压缩机1的标准进气量为40Nm³/h，第一级吸附单元包括两个5A沸石分子筛吸附塔8和9，其尺寸为Φ200×L1200(mm)，内装5A沸石分子筛(上海锦中分子筛有限公司生产)，其颗粒直径为0.5-1.0mm。空气被压缩到0.4(MPa)(绝对压力)后进入5A沸石分子筛吸附塔吸附，每一个5A沸石分子筛吸附塔的供气时间为40(s)，供气结束后，两个5A沸石分子筛吸附塔进行均压过程，均压时间为5(s)。吸附塔的解吸压力为0.1(MPa)。经过第一级变压吸附过程处理得到的混合气体中氧气浓度为95％，不纯组分主要为氩气。该混合气体进入储气罐作为下一级处理过程的进气。

氧气压缩机17的标准进气量为4(Nm³/h)，储气罐中的氧氩混合气经氧压机17增压到0.6(MPa)后进入碳分子筛吸附床。第二级吸附单元由两个碳分子筛吸附塔22和23构成，尺寸为Φ50×L500(mm)，内装德国BF公司生产的碳分子筛。每一个吸附塔的进气时间为60(s)。解吸开始阶段5(s)时间内的解吸气通过管路引回到储气罐15，不作为最终的产品气。其后吸附塔解吸的气体经气动阀27、真空泵29排出作为最终的产品气，其浓度可以达到99％以上，产品气量为1.5(Nm³/h)。

Claims

1、一种分离空气制取高浓度氧气的变压吸附装置，该装置由过滤器(1)，无油空气压缩机(2)，冷却器(3)，气动切换阀(4)、(5)、(6)、(7)、(11)，5A沸石分子筛吸附塔(8)、(9)，单向阀(12)、(13)，减压阀(14)，储气罐(15)组成，其特征在于两个5A沸石分子筛吸附塔(8)、(9)之间加了一个节流孔(10)，节流孔(10)各尺寸的范围如下：长度L1：2mm～20mm；长度L2：0.2mm～2mm；直径D1：1mm～10mm；直径D2：0.1mm～5mm；角度A：21°～75°。

2、如权利要求1所述一种分离空气制取高浓度氧气的变压吸附装置其特征在于本发明在一级变压吸附装置之后又增加了二级变压吸附装置，二级变压吸附装置由流量调节阀(16)，氧气增压机(17)，气动切换阀(18)、(19)、(20)、(21)、(24)、(25)、(27)、(28)，碳分子筛吸附塔(22)、(23)，流量调节阀(26)，真空泵(29)组成，吸附塔(22)、(23)中装有对氧气具有吸附特性的碳分子筛。