專利名稱：五床變壓吸附制造氧氣的裝置和方法
五床變壓吸附制造氧氣的裝置和方法技術(shù)領(lǐng)域裝置和方法。
技術(shù)背景變壓吸附法(PSA)是一種利用多孔固體吸附劑在一定壓力、溫度下，.,實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離的技術(shù)。根據(jù)需要分離的產(chǎn)品在然 狀態(tài)，可分為吸附相產(chǎn)品和非吸附性產(chǎn)品。目前，現(xiàn)有的變壓吸附空氣分離氧氣的流程主要以兩床流程為 主，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)低；但缺點(diǎn)明顯如產(chǎn)品壓力波動(dòng)大，不能連 續(xù)造氣；鼓風(fēng)機(jī)不能連續(xù)工作；當(dāng)分子篩確定，分子篩體積一定的情 況下，由于為了保證空塔流速，分子篩堆高一般在1200 1500mm， 所以吸附床的直徑較大(兩床最大規(guī)模產(chǎn)氣量為2500NmVh時(shí)，相應(yīng) 的吸附床直徑為5200mm)，顯然，兩床工藝由于吸附床直徑過(guò)大，還 限制了裝置規(guī)模的大型化。也有使用三床流程分離氧氣的研究和實(shí)踐，三床流程的優(yōu)點(diǎn)主要 是鼓風(fēng)機(jī)可以連續(xù)工作；設(shè)備可以連續(xù)產(chǎn)氧；能夠利用吸附床負(fù)壓 直接從大氣進(jìn)空氣，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以降低；而且由于鼓風(fēng)機(jī)氣量減少， 在設(shè)定的空塔流速下，吸附床的直徑也相應(yīng)減少，因此三床工藝的規(guī) ?？梢蕴岣咧?500 NmVh (此時(shí)吸附床直徑為5200mm )，但其單位產(chǎn) 率仍然偏低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供 本發(fā)明的五3^離氧氣的方法和裝置。 鼓風(fēng)機(jī)和真空泵進(jìn)行變壓吸附，各吸附床相互關(guān)聯(lián)，并都分別與鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、大 氣和產(chǎn)品罐連接(如圖l所示)，在變壓吸附的一個(gè)周期內(nèi)(即從吸 附開(kāi)始，經(jīng)過(guò)順向放壓、抽真空(真空解吸)、清洗、均壓，最后充 壓完畢結(jié)束)，每臺(tái)吸附床都經(jīng)歷吸附、順向放壓(簡(jiǎn)稱順?lè)?、抽 真空(真空解吸)、清洗、均壓和充壓六個(gè)步驟，各吸附床依次相差 一個(gè)吸附步驟，在進(jìn)行各個(gè)步驟時(shí)，都保持兩臺(tái)床進(jìn)行吸附步驟，兩臺(tái)床進(jìn)行抽真空步驟。所述吸附步驟吸附床的壓力為10 40Kpa，吸 附完畢后，順向放壓至吸附床的壓力降為5 ~ 20Kpa，然后進(jìn)行抽真空， 當(dāng)抽真空步驟進(jìn)行到吸附床壓力為-50 ~ -60Kpa時(shí)，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行清 洗步驟，清洗時(shí)間設(shè)定為2 50s;清洗完成后，開(kāi)始進(jìn)行均壓步驟(清 洗和均壓的同時(shí)還進(jìn)行抽真空)，使壓力升高至-40 -10Kpa;隨后 充壓，使吸附床的壓力增加到10-40Kpa,開(kāi)始下一變壓吸附循環(huán)。本發(fā)明所述的變壓吸附制氧的過(guò)程為原料空氣經(jīng)過(guò)濾消音器除 去機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后從吸附床進(jìn)料端進(jìn)入吸附床，空氣中的中富集，并從吸附器出口端排出，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得高純度的氧 氣。之后用真空泵對(duì)吸附床進(jìn)行抽真空，使吸附劑再生。其中，所述吸附床的吸附劑包括三氧化二鋁、13X分子篩、鋰分 子篩、沸石分子篩等，優(yōu)選沸石分子篩。所述吸附(al，a2,a3,a4 )為空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓至壓力10 ~ 40KPa， 由吸附床的進(jìn)料端進(jìn)入吸附床，吸附床的壓力為10 40Kpa,水份和 二氧化碳優(yōu)先被分子篩吸附，然后氮?dú)庖脖晃?，富集的氧氣從吸?床出口端排出。所述順向放壓步驟(a5)為當(dāng)分子條吸附氮?dú)饨咏柡蜁r(shí)，停 止向吸附床進(jìn)空氣，且吸附床停止產(chǎn)氧，從出口端放氣，使高壓狀態(tài) 的吸附床壓力降低至5 ~ 20Kpa。所述抽真空步驟(a6,a7)為將吸附床抽真空至壓力至-50 ~-60Kpa，使分子篩吸附的氮?dú)饨馕偕酱仓械姆肿雍Y。所述清洗步驟(a8)為當(dāng)吸附床壓力為-50 -60Kpa時(shí)，同時(shí) 開(kāi)始清洗步驟，利用制得的氧氣產(chǎn)品對(duì)吸附床進(jìn)行逆向(叢吸附床的 出口端進(jìn)氣，從進(jìn)口端流出)吹掃，清洗再生的吸附劑；清洗時(shí)間設(shè) 定為2~50秒，清洗時(shí)，吸附床的壓力基本保持不變。所述均壓步驟(a9)為當(dāng)清洗步驟結(jié)東后，將清洗完成后的吸 附床與高壓吸附床連通，利用高壓吸附床的壓力使之升壓，使壓力升 高至—40~ - lOKpa。所述充壓步驟(a10)為均壓步驟完成后，大氣進(jìn)氣，同時(shí)用 產(chǎn)品氧氣對(duì)吸附床充壓，使壓力升高到吸附壓力(10 40KPa)，充 壓步驟完成，開(kāi)始進(jìn)入下 一 個(gè)變壓吸附周期的循環(huán)。其特點(diǎn)是在清洗和均壓步驟時(shí)，仍然在進(jìn)行抽真空；清洗的同時(shí) 仍進(jìn)行抽真空，吸附床的壓力基本保持不變；五個(gè)吸附床相互連接， 將順向放壓的氣體用于均壓，以達(dá)到既可以利用順序放壓氣的壓力升 壓，又可以利用順?lè)艢怏w作為原料，回收其中的氧氣，提高產(chǎn)品收率 的目的；利用產(chǎn)品氣清洗吸附床，以最大限度地再生吸附劑；吸附床 的充壓步驟利用產(chǎn)品氣和大氣進(jìn)行充壓，產(chǎn)品氣既能夠使壓力升高， 又不損耗吸附劑的容量，而利用低壓從大氣進(jìn)氣可降低鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng) 量，節(jié)約成本?；谖宕?A， B, C, D， E床)的相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，根據(jù)各吸 附床相互關(guān)系在一個(gè)吸附周期中的變化，可將一個(gè)吸附周期(即完成 吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個(gè)步驟)分成10個(gè) 分步驟(al al0)來(lái)詳述各吸附床的狀態(tài)變化，以下根據(jù)氣體的流 向說(shuō)明各個(gè)分步驟(見(jiàn)圖2):al: A和C床吸附，空氣由鼓風(fēng)機(jī)增壓從吸附床的進(jìn)料端進(jìn)入， 得到的氧氣從出料端流出，進(jìn)入氧氣產(chǎn)品罐；E床與D床聯(lián)通，E床順 放流出的氣體進(jìn)入D床，D床均壓(同時(shí)抽真空)；B床進(jìn)行抽真空，再生吸附劑，抽出的氣體進(jìn)入廢氣罐；a2: A和C床仍然進(jìn)行吸附步驟，A床部分產(chǎn)品氣流向B床，對(duì)B 床進(jìn)行清洗(同時(shí)抽真空)，D床進(jìn)行大氣進(jìn)氣和產(chǎn)品氣充壓，E床a3: D床開(kāi)始吸附，A床仍處于吸附階段，B床和E床進(jìn)行抽真空， C床進(jìn)行順向放壓，流出的氣體進(jìn)入B床，B床均壓(同時(shí)抽真空)；a4: A床和D床處于吸附階段，A床部分產(chǎn)品氣進(jìn)入B床充壓，B 床同時(shí)從大氣進(jìn)氣充壓，D床部分產(chǎn)品氣進(jìn)入li床，清洗E床(同時(shí)抽 真空)，C床處于抽真空階段；行均壓，E床進(jìn)行均壓步驟(同時(shí)抽真空)，B床開(kāi)始吸附，C床處于 抽真空步驟，D床仍然吸附；a6: A床開(kāi)始抽真空，B床吸附，部分產(chǎn)品氣進(jìn)入C床，清洗C床 (同時(shí)抽真空)，D床仍然進(jìn)行吸附，部分產(chǎn)品氣進(jìn)入E床充壓，同 時(shí)K床自大氣中進(jìn)氣充壓；a7: A床仍然進(jìn)行抽真空，B床和E床吸附，C床與D床連通，Da8: B床吸附，部分產(chǎn)品氣流入A床，清洗A床(同時(shí)抽真空)， IZ床吸附，部分產(chǎn)品氣流入C床充壓，同時(shí)C床從大氣進(jìn)氣充壓，D床 開(kāi)始抽真空；a9: A床與B床連通，B床順向放壓，氣體流入A床，A床進(jìn)入均 壓階段(同時(shí)抽真空)，C床和E床吸附，D床抽真空；al0: C床吸附，部分產(chǎn)品氣進(jìn)入A床充壓，同時(shí)A床從大氣進(jìn)氣 充壓，B床開(kāi)始抽真空，E床吸附，部分產(chǎn)品氣進(jìn)入.D床，清洗D床(同如此往復(fù)循環(huán)，在整個(gè)周期中，鼓風(fēng)機(jī)和真空泵都連續(xù)工作，連 續(xù)生產(chǎn)氧氣，本發(fā)明的五床變壓吸附裝置的產(chǎn)氧規(guī)?？梢赃_(dá)到7000NmVh以上(當(dāng)吸附床直徑為5200mm時(shí))。 的吸附步驟的搡作順序見(jiàn)表l所示。— ___電1— —;il;容壓吸附各步驟循環(huán)表操作步驟t述分步驟以及相應(yīng)吸附 床AD吸附抽空抽空tt空至: 順?lè)徘逑?吸附充壓至 順?lè)懦鋲捍髿膺M(jìn)氣順?lè)懦榭瘴匠榭粘鋲呵逑闯榭瘴匠榭涨逑闯榭粘榭?清洗i均壓充壓均壓 順?lè)懦鋲捍髿膺M(jìn)氣均壓大氣進(jìn)氣順?lè)懦榭粘榭瘴饺鐭o(wú)特別說(shuō)明，本發(fā)明所用的壓力都為本領(lǐng)域常用的表壓。 一般，利用順序放壓氣進(jìn)行均壓，利用產(chǎn)品氣進(jìn)行清洗，以及利用,3t(3 >-國(guó)進(jìn)行充壓時(shí)，優(yōu)先選擇鄰近的吸附床連通。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的五床變壓吸附方法，本發(fā)明人提供T 一種五 床變壓吸附裝置。該裝置主要由五個(gè)吸附床，鼓風(fēng)機(jī)和真空泵組成， 還可以包括氧氣產(chǎn)品罐。其中，各吸附床進(jìn)口端相互連接，并分別與io 大氣、真空泵、鼓風(fēng)機(jī)連接；吸附床的出口端相互連接，并與產(chǎn)品罐 連接，考慮到本發(fā)明需要同時(shí)利用順向放壓氣和產(chǎn)品氣，由多條(大 于1條)線路將各吸附床相互連接后再與氧氣罐連接，典型的五床變 壓吸附裝置的連接見(jiàn)圖1,包括五個(gè)吸附床(A, B, C, D, E); is 兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)(G1, G2);兩臺(tái)真空泵(VI, V2);和氧氣產(chǎn)品罐，上述設(shè)備由氣動(dòng)切換閥門Al ~ A5 ， B1 ~ B5 ， Cll、 C12、 C21、 C22、 C3 —C5, D1—D5， 1(1 B5，止回閥J1 J5， 以及管道相互連接，其中吸附床的進(jìn)氣端相互連接，并通過(guò)閥門A1，吸附抽空 清洗7Bl， Cll， C12, 1)1, El連接到鼓風(fēng)機(jī)的出氣管；各吸附床進(jìn)口端相 互連接，并分別通過(guò)閩門A2， B2， C21, C22， D2， E2連接到真空 泵；各吸附床進(jìn)口端相互連接，并分別通過(guò)閥門A3， B3， C3， D3， K3連接大氣；各吸附床出口端相互連接，并分別通過(guò)閩門A4， B4， C4, D4， E4連接到氧氣產(chǎn)品罐，而且各吸附床出口端相互連接，還 分別通過(guò)閥門A5, B5, C5, D5, E5連接到氧氣產(chǎn)品罐；以及各吸 附床通過(guò)止回閥Jl ~ J5分別連接氧氣產(chǎn)品罐。采用五床吸附工藝，每個(gè)操作步驟，都有兩個(gè)吸附床同時(shí)進(jìn)行吸 附和抽真空，鼓風(fēng)機(jī)和真空泵連續(xù)工作，提高了各設(shè)備的利用率；五 吸附床都不斷重復(fù)以上步驟，且各步驟相互錯(cuò)開(kāi)，周期性切換，使制 氧設(shè)備能夠平穩(wěn)、連續(xù)地產(chǎn)氧。本發(fā)明的五塔流程徑向流的變壓吸附法，與標(biāo)準(zhǔn)三床吸附工藝相 比，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與標(biāo)準(zhǔn)三床相同，在吸附時(shí)間、抽真空時(shí)間接近兩 床或三床流程的條件下，本發(fā)明的循環(huán)周期時(shí)間接近兩床，因此雖然 吸附床的數(shù)量增多到五床，但吸附周期的時(shí)間沒(méi)有增加，解決了氧產(chǎn) 量的上限問(wèn)題，以及兩床流程和三床流程的弊端。本發(fā)明利用五床變 壓吸附可從空氣中分離純度為60%-95%(體積百分比)氧氣，最大氧氣 產(chǎn)量可以達(dá)到7000NmVh以上，解決了原有變壓吸附分離氧氣工藝氧 氣產(chǎn)量低、單位，產(chǎn)量的吸附劑利用率偏低，設(shè)備造價(jià)高等缺點(diǎn)。


圖l為本發(fā)明的五床變壓吸附裝置，其中A E為吸附床，Al~ 八5, B1 B5， Cll、 C12、 C21、 C22、 C3 C5， D1 D5， E1 E5 均為氣動(dòng)切換閥門，J1 J5為止回闊，(il、 G2為鼓風(fēng)機(jī)，VI、 V2為真空泵。圖2為本發(fā)明按al alO分步驟運(yùn)行的氣體流向圖，其中A ~ li為吸附床。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例l利用圖1所示的裝置，以空氣為原料利用本發(fā)明的五床變壓吸附法制造氧氣，該裝置包括A、 B、 C、 D、 E五個(gè)吸附床，兩臺(tái)真空泵 和兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，由氣動(dòng)切換閥門A1 ~ A5, B1 B5， Cll、 C12、 C21、 C22、 C3 C5， D1 D5， E1 E5，止回閥J1 J5，如圖連接，所用 吸附床直徑為吸附床直徑為5200mm，高度為2.5m,所用的吸附劑為 鋰分子篩；釆用兩臺(tái)最大鼓風(fēng)量為600NmVh鼓風(fēng)機(jī)；釆用兩臺(tái)容量為 800Nm3/h真空泵。在變壓吸附的 一 個(gè)周期內(nèi)，每臺(tái)吸附床都經(jīng)歷吸附、順向放壓(簡(jiǎn) 稱順?lè)?、抽真空(真空解吸)、清洗、均壓和充壓六個(gè)步驟，每個(gè)以下以A床為例，以每個(gè)吸附床的相關(guān)閥門變化步驟分為6步程 序，對(duì)6個(gè)步驟說(shuō)明第一步(al,a2,a3，a4):吸附。閥門A1開(kāi)啟，A2、 A3、 A4、 A5關(guān)閉。原料空氣經(jīng)過(guò)濾消音器除 去機(jī)械雜質(zhì)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓至壓力約30KPa，由底部(吸附床的進(jìn)料 端)進(jìn)入A床，A床的壓力為30KPa，水份和二氧化碳優(yōu)先被分子篩吸 附，然后氮?dú)庖脖晃?，得到富集的氧氣從吸附床頂部排出。獲得的 氧氣--部分作為產(chǎn)品氣，經(jīng)過(guò)止回閥J1進(jìn)入產(chǎn)品罐，另一部分經(jīng)壓力 調(diào)節(jié)后送往下游裝置， 一 部分作為B塔的充壓用氣和E塔的清洗用氣。第二步(a5):順向放壓。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)饨咏柡蜁r(shí)，停止向吸附床A進(jìn)空氣，且吸附 床A停止產(chǎn)氧，開(kāi)始"順向放壓"。閥門A1、 A2、 A3、 A4關(guān)閉，A5開(kāi) 啟，同時(shí)，開(kāi)啟E5，使"順向放壓"的流出氣進(jìn)入已接近完成"真空解 吸"的吸附床E，對(duì)其進(jìn)行升壓。此步驟可回收"順向放壓"流出氣中的 氧氣，使裝置的氧氣收率提高，順?lè)沤Y(jié)東后，吸附床壓力為20KPa。第三步(a6,a7):抽真空。吸附床A "順向放壓"步驟結(jié)東后，用真空泵對(duì)吸附床A抽真空， 抽空結(jié)束后的吸附床壓力為-50KPa，使分子篩上吸附的氮?dú)饨馕⒎?子篩得到再生。此步驟中閥門A2開(kāi)啟，Al、 A3、 A4、 A5關(guān)閉。第四步(a8):清洗。清洗"真空解吸"快要結(jié)束時(shí)，此時(shí)B床和E床正在吸附，用其一 部分產(chǎn)品氣對(duì)A床進(jìn)行清洗，請(qǐng)洗時(shí)間為0秒，清洗的同時(shí)仍進(jìn)行抽 真空，吸附床的壓力基本保持不變。此步驟中閥門A2， A4開(kāi)啟，Al、 A3、 A5關(guān)閉。第五步(a9):均壓。清洗結(jié)東后，用吸附床B的"順向放壓"流出氣進(jìn)行升壓，并回收 其中的氧氣，提高裝置的氧收率。此步驟中闊門A2， A5開(kāi)啟，A、 A3、 A4關(guān)閉，直至A床的壓力為-40Kpa， B床壓力為20Kpa。第六步(alO):充壓和大氣進(jìn)氣。"均壓"步驟完成后，開(kāi)啟A3、 A5，關(guān)閉A1、 A2、 A4，通過(guò)大氣進(jìn)氣閥引入空氣，同時(shí)產(chǎn)品氧氣也 對(duì)吸附床充壓，當(dāng)壓力接近大氣壓時(shí)，關(guān)閉A3，繼續(xù)充壓，直至壓 力達(dá)到吸附壓力，充壓完成后進(jìn)入下 一 個(gè)變壓吸附循環(huán)。同時(shí)，其他吸附床也根據(jù)其所處的步驟，利用順序放壓氣進(jìn)行均 壓，利用產(chǎn)品氣進(jìn)行清洗，以及利用產(chǎn)品氣進(jìn)行充壓時(shí)，優(yōu)先選擇鄰 近的吸附床連通，調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門進(jìn)行變壓吸附。在此過(guò)程中，真空 泵和鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)工作。利用上述五床變壓吸附裝置，可從空氣中分離純度為75 80%(體 積百分比)的氧氣，產(chǎn)氧規(guī)?？梢赃_(dá)到7000NmVh。
權(quán)利要求
1、一種五床變壓吸附制造氧氣的方法，利用五個(gè)吸附床進(jìn)行變壓吸附分離氧氣，在一個(gè)吸附周期內(nèi)，每臺(tái)吸附床都依次進(jìn)行吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個(gè)步驟，各吸附床依次相差一個(gè)吸附步驟。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行各個(gè)步驟時(shí)， 都有兩臺(tái)吸附床在進(jìn)行吸附步驟，兩臺(tái)吸附床在進(jìn)行抽真空步驟。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，五個(gè)吸附床以管 道和閥門相互連接，調(diào)節(jié)閬門，利用順向放壓的氣體進(jìn)行均壓。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，五個(gè)吸附床以管 道和閥門相互連接，調(diào)節(jié)閬門，利用吸附步驟的產(chǎn)品氣進(jìn)行清洗。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，五個(gè)吸附床相互 連接，充壓步驟利用產(chǎn)品氣和大氣同時(shí)進(jìn)行充壓。
6、 一種五床變壓吸附裝置，主要包括五個(gè)吸附床，鼓風(fēng)機(jī)和真 空泵，各吸附床進(jìn)口端相互連接，并分別連通大氣、連接到真空泵和 鼓風(fēng)機(jī)；各吸附床的出口端相互連接。
7、 如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括氧氣產(chǎn)品罐，各吸附床進(jìn) 口端相互連接；各吸附床的出口端都連接到產(chǎn)品罐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種五床變壓吸附分離氧氣的方法和裝置，本發(fā)明將五臺(tái)吸附床聯(lián)用進(jìn)行變壓吸附，在一個(gè)吸附周期內(nèi)，每臺(tái)吸附床都進(jìn)行吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個(gè)步驟，各吸附床依次相差一個(gè)吸附步驟，每個(gè)操作步驟都有兩臺(tái)吸附床進(jìn)行吸附步驟，兩臺(tái)吸附床進(jìn)行抽真空步驟。本發(fā)明的五個(gè)吸附床相互關(guān)聯(lián)，利用處于較高壓力狀態(tài)吸附床的順向放壓氣體對(duì)處于低壓狀態(tài)的吸附床進(jìn)行均壓；利用吸附步驟的產(chǎn)品氣進(jìn)行清洗；利用產(chǎn)品氣和大氣同時(shí)進(jìn)行充壓。本發(fā)明可從空氣中分離純度為60-95％(體積百分比)氧氣，最大氧氣產(chǎn)量可以達(dá)到7000Nm³/h以上，解決了原有變壓吸附分離氧氣工藝氧氣產(chǎn)量低、單位產(chǎn)量的吸附劑利用率偏低，設(shè)備造價(jià)高等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B13/02GK101531342SQ20091007674
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者劉世合, 劉忠鵬, 偉 唐, 賀 姜, 張佳平, 彭雪萍, 耿云峰, 謝有暢 申請(qǐng)人:北京北大先鋒科技有限公司