CN85108746A - 用于增加多组分混合气体中的一种组分的浓度的工艺过程 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一个用于提高多组分气体里所含的一种组分的浓度的工艺过程，它特别适用于富集空气的氧分。这个工艺过程是使用一种由与许多固定的进料口和排料口相连的、以周期性流动的方式沿着环路运转的许多吸附剂填充室构成的先进的分离装置，通过一连串的吸附和解吸工序来实现的。通过使用先进的分离装置，可能将空气的氧分荷载到吸附剂上，接着被第二个气流所解吸。然后，可以分离这个富氧气流，以致一个气流中的氧分可被吸附而接着由另一个气流带走，从而产生一个加倍富集的气流。

Description

本发明涉及一个用于提高多组分气体里所含的一种组分的浓度的工艺过程，更特别地，涉及一个通过增加空气中的氧气浓度来富集空气的工艺过程。

工业上往往探寻不同于纯氧的富氧空气来改善燃烧，或者新近用在生物工艺学里加强作用。迄今，已经通过用众所周知的低温技术产生的纯氧与空气混合或通过压力变换吸附技术来获得富氧空气。

在通常的压力变换技术里，空气在压力下通过一个固定床吸附系统。一般是使用诸如分子筛的吸附剂，分子筛优先吸收氮。于是从床层排出的气体的含氧量比输入床层的气体的含氧量高。在吸附以后，压力降到大气压或者甚至低于大气压，而氮则从床里解吸。然后床层回复到吸附氮的循环。

只要系统是比较简单，上述的技术适用于产生较少量的富集的空气。然而，当系统变得更复杂或者如果要求较高程度的富集时，应用固定床系统的压力变换技术以及其它技术就变得非常复杂，并且运转起来很昂贵。

其他合用的空气富集系统，诸如隔膜分离系统，往往不需要那么复杂的装置，但是由于它能处理的空气的量受到限制，所以仍然是不理想的。

鉴于先有技术工艺过程的上述的局限性和缺点以及上面没有逐一提到的其他缺点，很显然，在工艺过程的技术里，尚有这样一个要求，即对大量的空气能连续并经济地富集氧分。因而，本发明的主要目的是通过提供一个利用先进分离装置（Advanced    Separation    Device或ASD）富集空气的工艺过程来达到那个要求，先进分离装置（ASD）使得通过吸附技术富集空气经济地切实可行。

本发明的另一个目的是提供一个用于富集空气的工艺过程，它能将一个富氧气流分成两个分离的气流，然后从第一个气流里解吸氧以供同时并连续地荷载到第二个气流里去，结果是得到一个氧气浓度更大的气流。

本发明的又一个目的是提供一个用于富集空气的工艺过程，它能够由实际的任意容积的空气在比较低的压力，也即低于4个大气压下进行，因而使它令人满意地与工艺过程的要求无关。

本发明的更进一步的目的在于提供一个利用热量变换方法来再生吸附剂床的工艺过程，改善了该技术的通用性。

简单地说，本发明的那些以及其他目的是通过在一个包括许多吸附剂填充室的先进分离装置里实现工艺过程来达到的。这些吸附剂填充室与许多固定的进料口和在填充室另一端的固定排料口相连，以周期性流动的方式沿环路运转。由于从固定的排料口里排出的物料容易从系统清除，再循环到另一个进料口，或者二个进料口的结合处，借助于先进分离装置就有可能：

1.通过将压力较低的空气供给到一个或多个固定的吸附工序进料口以输送到填充室里而将空气里所含的氧荷载到填充室里一种合适的吸附剂上;

2.通过将含空气的较高温度的气流供给到一个或多个固定的解吸工序进料口以输送到含有荷载氧的吸附剂的填充室里而从吸附剂解吸氧，以便得到一个富氧的气流;以及

3    将富氧的气流分成两个各别的气流，冷却第一个气流，并将它供给到第二个吸附工序进料口，在那里，它被输送并荷载到吸附剂上，加热第二个气流，并将它供给到第二个解吸工序进料口，在那里，它通过第一个富氧气流解吸荷载氧的吸附剂，由此，结果是进一步地富集了气流。这个将富氧的气流分成两个各别的气流并从其中一个里解吸氧而同时地并连续地进一步富集另一个气流的工艺过程能按需重复一次或多次。

图1是说明本发明整个工艺过程基本原理的工艺流程图。

图2是先进分离装置的透视图。

图3是沿图2的Ⅰ-Ⅰ线和Ⅱ-Ⅱ线得到的横截面图，它分别地显示固定的进料口和固定的排料口;

图4是在先进分离装置里进行的工艺过程的图解的说明。

图5是在先进分离装置里进行的单通道氧气富集工艺过程的示意图。

本发明的工艺过程是在一个1985年3月19日提交的、在受让人的流水号为713492的待批申请案里所详细描述的先进分离装置里进行的，参考文献包括了它所披露的内容。

图1描述了本发明的整个工艺过程的基本原理。一般地，将温度为T₁的环境空气供给先进分离装置，在那里，其中所包含的氧同合适的吸附剂接触并被它吸附。而现在贫氧（O₂）的排出气从先进分离装置里作为废气排出。

然后，将可能包含一些来自后面工序的再循环空气的第二个气流供给到先进分离装置以输向荷载氧的吸附剂。第二个气流的温度是T₂，它比第一个气流的温度T₁高，因此实现先所由吸附剂荷载的氧的解吸。这样，排出的气流是富氧的。

离开先进分离装置的富氧的气流再分成两个各别的气流，冷却第一个气流，再将它输送到先进分离装置，在那里，包含于其中的氧被荷载到吸附剂上。加热另一个富氧的气流，再将它输送到高级分离装置，在那里，载荷到吸附剂上的氧由另一个富氧气流所解吸，结果是产生一个加倍富集的气流。

虽然上述的整个工艺过程基本原理以及下述的具体实施例都涉及到空气中的氧分的富集，可以判断，工艺过程的基本原理同样可以应用到想要增加一种特殊组分的浓度的其它多组分气体中。所有要求的仅是所使用的吸附剂对于混合气体中的试图富集的某一种组分比起其他组分来具有更大的亲和力。

为了方便，下面提供由图2说明的先进分离装置的简短的描述。

先进分离装置10包括许多固定的进料口12，可以将各种原料馈送给每一个进料口，在本发明的情况里，那些物质包括环境空气以及富氧空气和贫氧空气的再循环气流。

与上述的每一个固定进料口12相连的许多填充能够吸附氧或其他要求富集的组分的吸附剂的室14以周期性流动的方式沿环路运转。在所说明的特殊的实施例里，旋转的填充室14经由导管13与固定的进料口12相连。它们本身与填充室14一道旋转。在填充室的固定进料口12的相对的一端以同样方式设置许多固定的排料口16，旋转的填充室14经由导管15与固定的排料口16相连，它们本身也旋转。每一个固定的进料口12一般都有一个对应的固定的排料口16。

原料连续地输入到它们各自的进料口以与在每一个室14里的吸附剂周期性地相互作用。当物料通过一个固定的排料口16从旋转的填充室14排出时，它能由系统清除，再循环返回到一个选定的进料口，或者两个进料口的结合处。

填充室14的尺寸和数量的确是一个设计选择的问题，它依赖于试图富集的程度、所使用的吸附剂的类型和要求富集的空气的容积。为了避免死点，旋转室的最少数量至少应该比固定床多25～30%。这样，在本发明的范围里，提供10～15个固定的进料口和直至60个旋转室。系统在约1至4个大气压之间以热量变换的方式有效地运转。

使用的吸附剂类型完全取决于富集的气体组分。当要求富集空气中的氧分时，可使用诸如活性碳分子筛和如同那些由联合碳化物公司（Union    Carbide）研制并在专利号为4477418的美国专利里所描述的那样的六氰基分子筛作吸附剂。在要求富集在含有溶剂和空气的混合物里的有机溶剂的浓度的场合，适宜用象活性碳之类的吸附剂，只要吸附剂对于被富集的组分有较高的亲和力，并在需要的时候能释放那个组分，该吸附剂就能够连同本专利范围所要求的工艺过程一起使用。

对于进行该工艺过程没有严格的温度方面的要求，只要使用在解吸工序的原料比起那些使用在吸附工序期间的原料来处于更高的温度。因而，被吸附的原料的温度一般能在约32°F～100°F的范围内变化，由于较高的温度不利于气体吸附，所以对温度上限更为严格。输入到解吸工序的原料一般能在150°～300°F的范围内变化，该温度主要取决于吸附剂的性质。

为了将冷却气流输送到在解吸工序后面的吸附剂，可随意地设置一个或多个附加的进料口。这个附加的气流起了将吸附剂的温度从解吸期间使用的至少150°F降低到供吸附使用的最高温度100°F左右。当不设置附加的冷却的进料口时，吸附剂一般是由通过吸附工序进料口输入的过量空气来冷却的。

吸附剂填充室的旋转速度强烈地依赖于使用的先进分离装置的结构，也就是，与室的直径;吸附剂的性质，亦即它的荷载能力;填充室内填充的吸附剂高度以及物料流动速率密切有关。

与氧气容积为21%的正常的空气组成比较起来，本工艺过程能使空气富集到氧气容积超过30%。

下面所举的例子仅仅是起说明的作用，毫不应该看作是对揭示的和权利要求的工艺过程的限制。

例1

现在参照图3和图4，它们说明了用于富集空气的氧分的工艺过程，图解说明的特殊的实施例利用14个固定的进料和排料口以及20个旋转室。图3描绘了固定的进料口1F～14F以及固定的排料口1D～14D。图4用图解法说明一般的工艺过程。图4应该看作用图解来说明固定的进料和排料口。旋转的吸附剂填充室可看作一个连续的或“无限大的”床层。

当使用分子筛作为吸附剂时，用20个直径1英尺，容积为3立方英尺、吸附剂填充到2英尺高的填充室每小时可能得到50000标准立方英尺的氧气体积含量为30%的空气。当然，如果要求富集的空气体积更大，或者，如果需要进一步富集空气，可以相应地改变吸附剂填充室的尺寸和数目。在整个系统气压处于2个大气压时，系统以热量变换的方式有效地运行。

如图3和图4所说明的那样，环境空气（Ⅰ）经由固定的进料口1F至4F输送到吸附剂填充室，在那里，氧荷载到吸附剂上，而现在贫氧的气流（Ⅱ）通过固定的排料口1D至4D排出系统外。输入的空气（Ⅰ）的温度不高于约100°F，以确保氧气充分地吸附到吸附剂上。

把环境空气（Ⅲ）、从固定的排料口13D出来的再循环的贫氧的气流（Ⅳ）以及从固定的排料口9D和10D出来的再循环的贫氧的气流（Ⅴ）输入到固定的进料口5F至8F。气流（Ⅲ）、（Ⅳ）和（Ⅴ）合并成为单个气流（Ⅶ）而进入固定进料口5F至8F，其混合的体积比分别为气流（Ⅲ）在5～10份，气流（Ⅳ）在0～10份、气流（Ⅴ）在0～10份之间变化。这是用标准的空气压缩机、自动阀和常规的流量比控制系统来控制的。

因为是在冷空气通过口1F至4F输入填充室时将气流（Ⅶ）输入到先进分离装置里以便解吸荷载氧的吸附剂，气流（Ⅶ）的温度必须高于输入的环境气流（Ⅰ）。一般地，发现温度在150到300°F之间变化是令人满意的。温度的上限取决于吸附剂的性质。

这样，输入到口5F至8F的气流（Ⅶ）从吸附剂解吸氧，并且从先进分离装置（ASD）排出成为两个各别的富氧气流，即从口5D和6D出来的气流（Ⅶ）和从口7D和8D出来的气流（Ⅸ）。

接着，将含有富氧空气的气流（Ⅷ）冷却并输送到固定进料口9F和10F，在那里，它再输送到填充室14，使所含的含量较高的氧气荷载在吸附剂上。如图4所描绘的那样，气流（Ⅷ）是通过同气流（Ⅶ）热交换而冷却的。

将也含有富氧空气的气流（Ⅸ）加热并通过固定进料口11F和12F，输送到载有富氧气流（Ⅷ）的氧的吸附剂的填充室中。这样，第一个富氧气流（Ⅷ）中的氧就转移到第二个富氧气流（Ⅸ）中而产生双倍富集的气流（Ⅹ）和（Ⅺ）。

接着通过同样的工艺规程，得到三倍富集的气流。更特殊地，将双倍富集的气流（Ⅺ）冷却并输送到固定进料口13F，以将其中所包含的氧荷载到吸附剂上。然后加热双倍富集的气流（Ⅹ）并将它输送到进料口14F，在那里，它通过气流（Ⅺ）来解吸吸附到吸附剂上的氧，从而产生三倍富集的气流。

然后，由排料口13D排出的贫氧气流如前述那样再循环，并与气流（Ⅲ）和（Ⅴ）合并而输送到固定进料口5F至8F。

依据上述的工艺过程，现在可能做到实际地分离一个富集的气流，以便使用其中一个气流来进一步富集另一个气流。这可以连续而经济地做到，亦即是依靠先进分离装置而毋需复杂的阀门结构。

与氧气体积含量为21%的正常空气组成比较起来，本工艺过程能使空气富集到氧气体积含量超过30%。

例2

为简便起见，所示的例子是基于所谓“单通道”（Single-pass）系统而产生每小时60000标准立方英尺的氧气体积含量为30%的富集空气。

图5所示的是单通道氧气富集系统。单通道概念是使用先进分离装置来说明连续吸附/解吸氧气的技术。能够用来进行加热和冷却的工序的数目的多少取决于要处理的气体，使用的吸附剂和为了最终使用所要求的回收或富集的程度。

参照图5，环境空气是以两级逆流的方式输入到先进分离装置的吸附区。对于这个系统，所要求的最终产物是每小时60000标准立方英尺的含氧达30%的富氧空气。先进分离装置有多个进料口，并使用20个直径1英尺、高3英尺，内含2英尺高的分子筛形成的碳的填充室。先进分离装置的旋转速度为每20到30分钟转一圈。整个系统在2个大气压下运转。

环境空气（气流Ⅰ′）通过吸附区，其中，已所包含的一部分氧吸附到碳上。贫氧空气（Ⅱ′）离开先进分离装置并被排出。

为了弄明白起见，现在作反向的旋转。在解吸以后床层变热，稍作冷却有利于在后面的吸附区达到最大限度的吸附。环境空气（Ⅲ′）以逆流方式通过冷却区。在这步骤，大约每小时应用20000至25000标准立方英尺环境空气。这空气与起源于气流（Ⅶ′）的预热的环境空气混合，混合气通过交换器H1，在那里，温度升高到200°F或者更高。热空气离开热交换器并通到解吸区，在那里，它带走筛状碳里残留的氧。从这个区域排出的部分富集的空气通过第二个热交换器H2，在那里，气体的温度升高到300°F或者更高，这取决于碳或其他吸附剂的限度。空气的加热是在逆流热交换器里完成的，而从任何标准源（Ⅴ′）产生的热燃气用作加热介质。其他的技术诸如热流的热传输，废热回收以及类似的技术都能用于实现这种加热的工序。

来自第二个热交换器H2的热气通过活性炭以约每小时60000标准立方英尺的速率产生也取决于吸附剂的大约为300°F或更高的温度的富集的空气。这一富集的气体通过第三个热交换器（预热器）以便回收一部分热而使与工艺过程有关的热能成本减至最低。最终的富集空气（Ⅵ′）包含大约30%氧，并被转送以进一步处理或者供最终使用。

由于使用先进分离装置方法的结果，大约每分钟有55磅筛状碳在吸附区和解吸区之间运动。碳的总填充量大约为1100磅，因此，很明显，由填充最低量的碳产生了相当大量的富集空气。

如果需要，在气流（Ⅵ）里所含的富集空气能如图4所表明的送到附加的吸附区。照这样，自益（bootstrap）技术用来增高最终的氧浓度。

在这里虽然仅仅对最佳实施例作了具体的图解说明和描述，应该理解到，根据上述技术并在从属权项的权限内，可以对本发明作许多修正和变换，并不脱离该发明的精神和给定的范围。

Claims (7)

1、一个在多组分混合气体中富集一种组分的工艺过程，其特征在于排列许多吸附剂的填充室在周期性的时间间隔里承受来自填充室进料口的多组分的气流通过吸附剂而经由排料口从室内排出，吸附剂能吸附一种组分而将它比所有其他组分富集到更大程度，在选定的温度下将环境空气输送到所述的填充室的第一个室，在那里，吸附剂吸附来自环境空气的氧，并且从所述的第一个室排出贫氧空气，将来自第一个室的贫氧空气与环境空气和来自第二个室的富氧空气混合和加热到高于所选定的温度，将上述步骤的加热的混合气输送到所述的第一个室而使吸附剂放出氧，将来自所述的第一个室的富氧空气分离成为第一个气流和第二个气流，冷却所述的第一个气流，并将所述的第一个气流供给到所述的室中的第三个室，在那里，吸附剂吸附来自所述的气流的氧，加热所述的第二个气流，并将所述的第二个气流供给到所述的第三个室以产生一个具有进一步富集的氧分的排出气流，所述的排出气流是相当连续的。

2、权项1的工艺过程，其中多组分的气体是空气，而被富集的组分是氧。

3、权项1或2的过程，其中所述的吸附剂是活性碳分子筛或六氰基分子筛。

4、权项2的工艺过程，其中所述的第一个气流其温度低于约100F，而其中所述的第二个气流其温度高于约150°F。

5、权项1或2的工艺过程，其中所述的许多吸附剂填充室以每5分钟到60分钟转一圈的速率转动。

6、权项1或2的工艺过程，其中进行所述的工艺过程的压力是在从1个大气压至4个大气压左右的范围内变化。

7、权项1到6的工艺过程，其中所述的进料和排料口还包括至少一个冷却工序进料口和相应的排料口，一个冷却气流通过所述的冷却工艺进料口而输送到吸附剂填充室，将那里的吸附剂从所述的第二个温度冷却到所述的第一个温度。

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