TW398989B - Pressure swing adsorption process and system with a single adsorbent bed - Google Patents

Description

_B7_ 五、發明説明（1 ) 發明背景 變壓吸附對於分離大量氣體混合物和純化含有低濃度 不必要組分氣流是眾所周知的方法。該法已被開發和使 用，其操作條件、產品純度和產品回收可在大範圍內變動。 許多變壓吸附（PSA)系統使用雨個或多個吸附床，這些床 依次循環操作以保持恆定的產品流量，而選定的床的則經 歷各種步驟，包括吸附、減壓、脫附、吹掃、壓力平衡、 加壓和其它相關步驟。得到高純度和/或回收有價値產品， 如氫、一氧化碳、合成氣、輕質烴等，需要使用許多過程 步驟的多個吸附床。生產含有這些有價値組分的進給氣體 混合物的成本高通常可以認爲是由於多床PSA系統的複雜 性和投資費用造成的。 適合於用PSA回收的其它氣體產品並不要求高純度和/ 或回收上述產品例如，在用PSA回收空氣中氧和氮的過 • ♦ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 程中，對某些最終用途來說低純度產品是可接受的，對於 這些產品可以使用較簡單的PSA系統。與前面描述的多床 系統相比，較簡單的PSA系統具有明顯較低的投資和操作 費用。這些分離空氣的最簡單的PSA系統利用單一吸附 床，並與一個或多個氣體儲罐相連接，使產品流暈恆定， 在PSA循環的回收部分中提供氣體用於吹掃吸附器和加 壓。已開發出多種單床變壓吸附法，在本領域中是已知的。 美國專利4,561，865描述了一種單床PSA系統，該系統 在三步驟循環中，包括一吸附器和一與進給壓縮機一起工 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4现格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 B7_ 五、發明説明（2 ) 作的調壓罐。首先，將壓縮進給空氣引入吸附器中，進給 空氣在吸附器中提高壓力，同時吸附器的排出氣被排放到 調壓罐中。將一部分氣體從調壓罐中排出作爲富氧產物。 然後，切斷吸附器的進給，並逆流地（即通過吸附器進給 端）向大氣中排空吸附器。在這一排放步驟中，從調壓罐 中向吸附器的產品端引入吹掃氣體。在完成通風/吹掃步 驟後，經吸附器的產品端（即逆流 >使吸附器和調壓罐壓力 平衡。以循環的方式重複這些步驟。美國專利4,511,377 描述一種使用PSA法的標準設備。 在美國專利4,892,566中描述了一種單床PSA系統，該 系統利用一與調壓罐、進給壓縮機以及轉換閥相連接的吸 附器以完成一系列步驟。首先，將壓縮進給空氣引入吸附 器中，在吸附器中提高壓力，同時將吸附器的排出氣排入 調壓罐中。從調壓罐中取出一部分氣體作爲富氧產品。切 斷吸附器的進給並關閉吸附器出P，逆流地（即通過吸附 器的進給端）向大氣中排空吸附器。從調壓罐向吸附器逆 流地（即通過吸附器的進給端）引入氣體，使吸附器和調壓 罐中的壓力達到平衡。然後用進給空氣通過進給端使吸附 器加壓，並與調壓罐壓力平衡。將吸附器進一步加壓至一 超過調壓罐的壓力。最後，吸附器和調壓罐的壓力平衡。 然後以循環的方式重複這些步驟。 美國專利5,032,1 50公開一種分離空氣的單床？3八法， 該法在一PSA循環中利用多個氣體儲罐來分離空氣。壓縮 空氣從空氣進給罐中進給至一來自前一循環富氧氣體的預 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^ϋ- ^^^1 am HI In ^^^1 I Y -< (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 A7 B7_ 五、發明説明（3 ) 飽和吸附器中，吸附器的排出氣直接引入一產品收集罐 中，來自收集罐的一部分氣體作爲富氧產品排放。然後關 閉吸附器的出口，並使吸附器與空氣進給罐壓力平衡。此 後，用來自一氮產品罐的富氮氣體沖洗吸附器，將置換的 氣體儲存在空氣進給罐中。然後，氮飽和的吸附器逆流（即 通過產品端）減壓進入氮產品罐。必要時可將氮作爲產品 提取。最後，甩來自產品收集罐的富氧氣體逆流吹掃吸附 器，置換其中的氮，然後，用富氧氣體逆流加壓至吸附壓 力。以循環的方式重複這些步驟。 在美國專利5,071，449中公開了 一單容器快速PSA系 統，其中容器中含有兩個吸附層，以交替的方式操作，有 一股連續的進給氣體和兩股連續的產品物流。不使用產品 調壓罐。使用單一吸附床在30秒或更少的時間內循環的另 —快速PSA系統描述在美國專利4，194,892中。吸附器的排 出物流任選地通過一個產品諷壓罈以在吸附循環中緩衝流 量的波動。 具有一產品調壓罐和一平衡罐的單床PS A系統公開在 美國專5,370,728中。在該系統的操作中，將壓縮氣體進 給引入到吸附床，將該床從一中間壓力加壓至最大吸附壓 力，從床中排出的產品排放到產品調壓罐中。然後斷開吸 附床並向一中間壓力下的平衡罐並流（即通過產品端）減 壓。此後進一步逆流（即通過進給端）對該床減壓至一較低 的脫附壓力，並用來自產品調壓罐的氣體逆流吹掃該床。 再用來自平衡罐的氣體將床逆流加壓至中間壓力。最後用 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 11 nn ^^^1 —BBBil Λ ^n· m m !- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _B7_ 五、發明説明（4 ) 進給空氣使床加壓，以循環的方式重複這些步驟。 正如上面總結的現有技術中所述，可以有效地利用由 空氣生產富氧氣體的PSA系統。對這些單床系統進行最簡 單的改進是有利的，可以促使廣泛使用這種系統來供應中 等純度的氧或氮。在下面描述並在權利要求中限定的本發 明提出了 一種對生產這種產品的單床PSA系統的改進。 發明槪述 本發明是一種變壓吸附方法，該法分離含有至少一種 易吸附組分和至少一種不易吸附組分的進給氣體混合物， 此時通過將進給氣體混合物導入一吸附容器的一端，該吸 附容器包括優先吸附易吸附組分的固體吸附劑，從吸附容 器的產品端取出富含不易吸附組分的吸附器排出物至一氣 體儲罐，並從氣體儲罐取出富含不易吸附組分的的產品物 流。終止進給氣體混合物被引入吸附容器，通過從其中取 出富含易吸附組分的減壓氣體使吸附容器減壓。通過將來 自氣體儲罐的氣體引入吸附容器的進給端和產品端使吸附 容器加壓，以循環的方式重複所有步驟。 進給氣體混合物優選爲空氣，其中易吸附組分是氮， 不易吸附組分是氧。固體吸附劑優先吸附氮，並可選自包 含NaX、NaA、CaX、LiX、絲光沸石或CaA沸石的類。 優選從吸附容器的進給端排出減壓氣體。.必要時可從 氣體儲罐中取出一部分富含不易吸附組分的產品物流用來 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（2丨0><297公釐） ^^1- ^^^1 ^^^1 .^n In In ^ tn ml· In ^ J1 (¾ i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 A7 B7__ 五、發明説明（5 ) 再加壓吸附容器。作爲一種選擇，加壓氣體可以從氣體儲 罐中直接取出，與從氣體儲罐中取出產品物流無關。 在引入進給氣體混合物期間吸附容器內的壓力通常爲 約15和100 psia之間。在加壓步驟之前，吸附容器優選減 壓到最終壓力爲約0.1 5和12 psia之間》進給、減壓和加壓 步驟可以在約30和240秒之間的循環期間內完成。 本發明包括一變壓吸附系統，該系統分離含有至少一 種易吸附組分和至少一種不易吸附組分的進給氣體混合 物，包括一吸附容器塡有優先吸附易吸附組分的固體吸附 劑，其中容器具有一進給端和一產品端：一進給鼓風機和 管路裝置將進給氣體混合物引入吸附容器進給端；和一氣 體儲罐容置從吸附容器取出的吸附器排出物流。 該系統包括用於從氣體儲罐中取出富含不易吸附組分 的產品物流管路裝置，從吸附容器產品端向氣體儲罐輸送 吸附器排出物流和釋氣體從氣體筚罐輸送到吸附容器產品 端的管路裝置，還有將氣體從氣體儲罐輸送到吸附器進給 端的管路裝置。此外，系統還包括閥裝置用於斷開吸附容 器與氣體儲罐和進給氣體混合物，以及管路和閥裝置從吸 附容器取出減壓氣體。 可選用的是該變壓吸附系統可以包括使用進給鼓風機 以從吸附容器進給端排出減壓氣體的管路和閥襄置。必要 時，系統可以包括使用進給鼓風機以使氣體從氣體儲罐輸 入到吸附容器進給端的管路和閥裝置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） „ .I,ιτ^ (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（6 ) 附圖簡述 唯一的圖是按本發明PSA系統的流程示意圖，其中主 要元件的圖號爲： 5鼓風機 13吸附容器 21產品氣體儲罐 25產品壓縮機 39專用加壓鼓風機 發明詳細描述 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (請先Η讀背面之注f項再填寫本頁) 最簡單的單床PSA系統必須包括至少一吸附床、一產 品調壓或儲存罐、一進給鼓風機、以及在循環步驟中引導 氣流的必要管路和閥。利用這些部件的本發明PSA系統示 於該唯一的圖中。通常環境條件下的進給空氣1通過開閥3 進入鼓風機5的吸入管，在其中被.壓縮到15和100 psia之間 的壓力。壓縮空氣經管路7、開閥9和入口 11進入吸附容器 13。容器中塡有優先吸附氮的吸附劑：這一吸附劑可以是 NaX、NaA、CaX、LiX、絲光沸石或CaA沸石，或其它能 選擇性吸附氮的吸附劑。必要時，可以使用兩層或多層不 同的吸附劑，其中在容器入口端處的第一層優先吸附水和 二氧化碳，第二層包括床的主要部分，塡有優先吸附氮的 吸附劑。氧化鋁、矽膠和沸石是優先吸附水和二氧化碳的 吸附材料。 當壓縮空氣向上流過吸附容器13時，氮被有選擇地吸 本紙張尺度逋用中國国家揉率（CNS ) A4规格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印褽 A7 B7 五、發明説明（7 ) 附，產生含有約50至95摩爾％氧的吸附器排出氣15。富氧 物流通過開閥17和管路19進入產品氣體儲罐21。從氣體儲 罐21中排出一部分富氧物流以提供氧產品23 »如果氧產品 要求高的壓力，則對來自儲罐的氣體在產品壓縮機25中壓 縮。在吸附步驟中，閥27(如果使用的話）、29、31和33是 關閉的。 吸附步驟通常約進行5至60秒·，然後通過關閉閥3、9 和17而終止。通常在這時繼續排出氧產品23。在鼓風機5 繼續工作時通過打開閥31和29,使吸附容器13抽空，因此， 排出空隙間的氣體並使前述吸附步驟中吸附的氮脫附。這 —富氮氣體通常作爲廢氣35排放，但在某些情況下可能是 —有用的產品。抽空步驟通常持續約15至160秒，使吸附 容器13中壓力下降到約0.1 5和約12 psia之間。通過關閉閥 29和31終止抽空步驟。 在交替的操作方式中，在吸附容器至少一部分減壓時， 將氣體從氣體儲罐21中引入吸附容器13的產品端，因此， 吹掃該容器以置換空隙間的氣體並使氮脫附。 此後，通過打開閥17使富氧氣體從產品儲罐21經管路15 和19進入容器的產品端，從而使吸附容器13加壓》同時使 來自儲罐21的富氧氣體經管路Π進入吸附容器13的進給 端，因此，與流過管路15的氣體聯合在一起形成雙端加壓。 繼續以這種方式進行雙端加壓直到吸附容器13內的壓力在 15和100 psia之間。加壓步驟完成時，關閉閥.9和3 3(或閥27 和33)，打開閥1和9，重複吸附步驟。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁)

，1T 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 _B7 _ 五、發明説明（8 ) 按本發明可以幾種方式將加壓氣體引入到吸附容器13 的進給端。優選的方式是打開細9和33，因此鼓風機5將加 壓氣體從罐21輸入到吸附容器13的進給端。這一步驟是優 選的，這是因爲再加壓可以快速地進行，而且還因爲使鼓 風機5繼續操作，除如前所述用於進給壓縮和吸附容器抽 空外還用於再加壓。另一方面，可以通過管路37、開閥27、 專用加壓鼓風機39和管路41將加壓氣體提供到吸附容器1 3 的進給端。在另一選擇中，可以通過開閥27、管路41和管 路43,但不使用鼓風機39,將加壓氣體作爲一部分氧產品 23排出。在再一選擇中，可以通過管路37'開閥27和管路 41排出，但不使用專用鼓風機39，將加壓氣體提供到吸附 容器13的進給端。在這方案中，在所需的加壓期間不必達 到吸附容器13的完全加壓。在這種情況下，可以使用空氣 進給的短期附加加壓在要求的時間內達到所需的壓力。 上述三步驟PSA循環可以在約3〇和240秒之間的總循環 時間內操作。吸附步驟的時間優選爲約5和60秒之間，抽 空步驟優選爲約15和160秒之間，加壓步驟優選爲約2和20 秒之間。典型的循環時間是60秒，其中吸附步驟是15秒， 抽空步驟是40秒，加壓步驟是5秒。本發明優選的雙端加 壓使加壓快速，並使這一步驟的時間最短，從而改進了 PS A 系統的總效率。短的加壓時間有助於縮短總循環時間，這 樣，對於給定的產量進而可使吸附床較小。 循環吸附操作是通過如前所述的定時操作這些閥來控 制》在優選的實施例中，鼓風機5將加壓氣體從儲罐21中 •10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (讀先W讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 A7 B7 經濟部中央標牟局貝工消费合作社印策 五、發明説明（9 ) 輸入到吸附容器13的進給端，閥的操作按以下方式進行： 閥號 步驟 3 9 17 29 31 33 吸附 開 開 開 關 關 關 抽空 m 關 關 關 開 開 關 加壓 關 關 開 開 關 關 開 上述方法很適合於空氣的分離，優選生產含有50-95% 摩爾氧的氧產品。該法可以用於其它氣體混合物的分離， 在某些應用中是可以接受中等產品回收率和/或純度的。 因此本發明對一種單床變壓吸附法和系統提供了改 進，其中，由於同時從進給端和產品端對吸附器加壓，使 吸附器加壓所需的時間縮短。在一優選的操作方式中，進 c-------------- 給鼓風機將加壓氣體從氣體產品儲罐中輸送到吸附器的進 給端。本發明優選的雙端加壓使加壓快速並使這一步驟的 時間最短，因此改進了 PSA系統的總效率< 在前面的描述中已完全公開了本發明的重要特徵。本 領域的技術人員可以理解本發明，並在不離開本發明基本 精神以及不偏離下面申請專利範圍的等同物和範圍的條件 下做出各種修飾。 -11 · 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^^1- ^^^1 m ml 1^1 m ^^^1 λ an \ < (锖先閱讀背面之注$項存填寫本K)

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 398989 A、申請專利範囷 (請先閲讀背面之注$項再壤寫本頁) 1. —種變壓吸附方法，用於分離含有至少一種易 吸附組分和至少一種不易吸附組分的加壓進給氣體混合 物’包括以下步驟： (a) 將該加壓進給氣體混合物引入塡有固體吸附 劑的一吸附容器進給端，該吸附劑優先吸附易吸 附組分，並從吸附容器的產品端取出富含不易吸 附組分的一吸附器排出物流，使該吸附器排出物 流進入一氣體儲罐，並從該氣體儲罐取出一富含 不易吸附組分的產品物流： 〇>)終止步驟（a)，通過從該吸附容器其中取出一 富含易吸附組分的減壓氣體使該吸附容器減壓； (Ο 藉由將氣體從該氣體儲罐引入該吸附容器的 進給端和產品端來使吸附器加壓；和 (d)以循環的方式重複步驟（a)至（c)。 2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中的進給 氣體混合物是空氣，易吸附組分是氮，及不易吸附組分是 氧。 經濟部中央標準局月工消費合作社印製 3·如申請專利範圍第2項所述的方法，其中的固體 吸附劑選自包含NaX、NaA、CaX、LiX、絲光沸石或CaA 沸石所組成的族群。 4.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中的減壓 -12· 本紙張/1度逋用中國國家梂牟（CNS ) A4规格（210X297公釐） 經濟部中央標率局貝工消費合作社印策 398989 ?S ----—______D8 六、申請專利範固 氣體是從吸附容器的進給端排出的。 5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該來自 氣體儲罐用於加壓該吸附容器的氣體爲該富含不易吸附組 分的產品氣流的一部分。 6. 如申請專利範圍第丨項所述的方法，其中在步驟（a) 中的吸附容器的壓力是在15和100 psia之間。 7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中在步驟（b) 中對該吸附容器減壓至一最終壓力，該壓力是在0.15和12 psia之間。 8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中的步驟（a) 至（c)包含的循環時間爲30和240秒之間。 9·如申請專利範圍第1項所述的方法，其包括在步 驟（c)後、正好在步驟（a)開始之前的附加步驟，該附加步 驟藉將該加壓進給氣體引入該吸附容器的進給端來使該吸 附容器被進一步加壓。 10.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中在該吸 附容器於步驟（b)的至少一部分減壓過程中，將來自該氣 體儲罐的氣體引入該吸附容器的產品端。 -13- 本紙張尺度逍用t國國家梯率（CNS ) A4规格（210X297公釐） C请先閱饋背面之注f項存壌窝本萸> % / 398989 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 Ι-Hi m n in In Hi m —J m —ί In nn a^n y#M\ (請先w讀背面之注$項再填寫本頁) π. —種變壓吸附系統，用於分離含有至少一種易 吸附組分和至少一種不易吸附組分的進給氣體混合物，該 系統包括·· (a) 一吸附容器塡有優先吸附該易吸附組分的一 固體吸附劑，其中該容器具有一進給端和一產品 端； (b) 一進給鼓風機和管路裝置，其將該進給氣體 混合物引入該吸附容器進給端； (c) 一氣體儲罐，其容置從該吸附容器排出的吸 附器排出物流； (d) 管路裝置，其用於從該氣體儲罐排出富含不 易吸附組分的產品物流； (e) 管路裝置，其用於將該吸附器排出物流從該 吸附容器產品端輸向該氣體儲罐並將氣體從該氣 體儲罐輸送到該吸附容器產品端； (f) 管路裝置，其用於將氣體從該氣體儲罐輸送 到該吸附容器進給端； 經濟部中央標準局負工消費合作社印装 (g) 閥裝置，用於使該吸附容器與該氣體儲罐和 該進給氣體混合物隔開；和 (h) 管路和閥裝置，其用於從該吸附容器取出減 壓氣體。 12.如申請專利範圍第11項所述的變壓吸附系統， 其進一步包括一用於使該進給鼓風機能從該吸附容器進給 • 14- 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 398989 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 端取出減壓氣體的管路和閥裝置。 13.如申請專利範圍第11項所述的變壓吸附系統， 其進一步包括一用於使該進給鼓風機能從該氣體儲罐將氣 體輸送到該吸附容器進給端的管路和閥裝置。 i ^^^1 ^^^1 —fn m nt^— - K nn (m ^^^1 ^^^1 V~> (¾ i (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印裝 -15- 本紙張尺度逍用中困國家梂準（CNS ) A4规格（210X297公釐）