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領域裝置和方法。
技術背景變壓吸附法(PSA)是一種利用多孔固體吸附劑在一定壓力、溫度下，.,實現混合氣體的分離的技術。根據需要分離的產品在然 狀態，可分為吸附相產品和非吸附性產品。目前，現有的變壓吸附空氣分離氧氣的流程主要以兩床流程為 主，其優點是設備造價低；但缺點明顯如產品壓力波動大，不能連 續造氣；鼓風機不能連續工作；當分子篩確定，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(兩床最大規模產氣量為2500NmVh時，相應 的吸附床直徑為5200mm)，顯然，兩床工藝由于吸附床直徑過大，還 限制了裝置規模的大型化。也有使用三床流程分離氧氣的研究和實踐，三床流程的優點主要 是鼓風機可以連續工作；設備可以連續產氧；能夠利用吸附床負壓 直接從大氣進空氣，鼓風機風量可以降低；而且由于鼓風機氣量減少， 在設定的空塔流速下，吸附床的直徑也相應減少，因此三床工藝的規 模可以提高至3500 NmVh (此時吸附床直徑為5200mm )，但其單位產 率仍然偏低。發明內容本發明的目的是提供 本發明的五3^離氧氣的方法和裝置。 鼓風機和真空泵進行變壓吸附，各吸附床相互關聯，并都分別與鼓風機、真空泵、大 氣和產品罐連接(如圖l所示)，在變壓吸附的一個周期內(即從吸 附開始，經過順向放壓、抽真空(真空解吸)、清洗、均壓，最后充 壓完畢結束)，每臺吸附床都經歷吸附、順向放壓(簡稱順放)、抽 真空(真空解吸)、清洗、均壓和充壓六個步驟，各吸附床依次相差 一個吸附步驟，在進行各個步驟時，都保持兩臺床進行吸附步驟，兩臺床進行抽真空步驟。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，然后進行抽真空， 當抽真空步驟進行到吸附床壓力為-50 ~ -60Kpa時，同時開始進行清 洗步驟，清洗時間設定為2 50s;清洗完成后，開始進行均壓步驟(清 洗和均壓的同時還進行抽真空)，使壓力升高至-40 -10Kpa;隨后 充壓，使吸附床的壓力增加到10-40Kpa,開始下一變壓吸附循環。本發明所述的變壓吸附制氧的過程為原料空氣經過濾消音器除 去機械雜質，經鼓風機增壓后從吸附床進料端進入吸附床，空氣中的中富集，并從吸附器出口端排出，使氧氣和氮氣分離獲得高純度的氧 氣。之后用真空泵對吸附床進行抽真空，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，優選沸石分子篩。所述吸附(al，a2,a3,a4 )為空氣經鼓風機增壓至壓力10 ~ 40KPa， 由吸附床的進料端進入吸附床，吸附床的壓力為10 40Kpa,水份和 二氧化碳優先被分子篩吸附，然后氮氣也被吸附，富集的氧氣從吸附 床出口端排出。所述順向放壓步驟(a5)為當分子條吸附氮氣接近飽和時，停 止向吸附床進空氣，且吸附床停止產氧，從出口端放氣，使高壓狀態 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，使分子篩吸附的氮氣解吸，再生吸附床中的分子篩。所述清洗步驟(a8)為當吸附床壓力為-50 -60Kpa時，同時 開始清洗步驟，利用制得的氧氣產品對吸附床進行逆向(叢吸附床的 出口端進氣，從進口端流出)吹掃，清洗再生的吸附劑；清洗時間設 定為2~50秒，清洗時，吸附床的壓力基本保持不變。所述均壓步驟(a9)為當清洗步驟結東后，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，大氣進氣，同時用 產品氧氣對吸附床充壓，使壓力升高到吸附壓力(10 40KPa)，充 壓步驟完成，開始進入下 一 個變壓吸附周期的循環。其特點是在清洗和均壓步驟時，仍然在進行抽真空；清洗的同時 仍進行抽真空，吸附床的壓力基本保持不變；五個吸附床相互連接， 將順向放壓的氣體用于均壓，以達到既可以利用順序放壓氣的壓力升 壓，又可以利用順放氣體作為原料，回收其中的氧氣，提高產品收率 的目的；利用產品氣清洗吸附床，以最大限度地再生吸附劑；吸附床 的充壓步驟利用產品氣和大氣進行充壓，產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氣可降低鼓風機的風 量，節約成本。基于五床(A， B, C, D， E床)的相互關聯的關系，根據各吸 附床相互關系在一個吸附周期中的變化，可將一個吸附周期(即完成 吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個步驟)分成10個 分步驟(al al0)來詳述各吸附床的狀態變化，以下根據氣體的流 向說明各個分步驟(見圖2):al: A和C床吸附，空氣由鼓風機增壓從吸附床的進料端進入， 得到的氧氣從出料端流出，進入氧氣產品罐；E床與D床聯通，E床順 放流出的氣體進入D床，D床均壓(同時抽真空)；B床進行抽真空，再生吸附劑，抽出的氣體進入廢氣罐；a2: A和C床仍然進行吸附步驟，A床部分產品氣流向B床，對B 床進行清洗(同時抽真空)，D床進行大氣進氣和產品氣充壓，E床a3: D床開始吸附，A床仍處于吸附階段，B床和E床進行抽真空， C床進行順向放壓，流出的氣體進入B床，B床均壓(同時抽真空)；a4: A床和D床處于吸附階段，A床部分產品氣進入B床充壓，B 床同時從大氣進氣充壓，D床部分產品氣進入li床，清洗E床(同時抽 真空)，C床處于抽真空階段；行均壓，E床進行均壓步驟(同時抽真空)，B床開始吸附，C床處于 抽真空步驟，D床仍然吸附；a6: A床開始抽真空，B床吸附，部分產品氣進入C床，清洗C床 (同時抽真空)，D床仍然進行吸附，部分產品氣進入E床充壓，同 時K床自大氣中進氣充壓；a7: A床仍然進行抽真空，B床和E床吸附，C床與D床連通，Da8: B床吸附，部分產品氣流入A床，清洗A床(同時抽真空)， IZ床吸附，部分產品氣流入C床充壓，同時C床從大氣進氣充壓，D床 開始抽真空；a9: A床與B床連通，B床順向放壓，氣體流入A床，A床進入均 壓階段(同時抽真空)，C床和E床吸附，D床抽真空；al0: C床吸附，部分產品氣進入A床充壓，同時A床從大氣進氣 充壓，B床開始抽真空，E床吸附，部分產品氣進入.D床，清洗D床(同如此往復循環，在整個周期中，鼓風機和真空泵都連續工作，連 續生產氧氣，本發明的五床變壓吸附裝置的產氧規模可以達到7000NmVh以上(當吸附床直徑為5200mm時)。 的吸附步驟的搡作順序見表l所示。— ___電1— —;il;容壓吸附各步驟循環表操作步驟t述分步驟以及相應吸附 床AD吸附抽空抽空tt空至: 順放清洗 吸附充壓至 順放充壓大氣進氣順放抽空吸附抽空充壓清洗抽空吸附抽空清洗抽空抽空 清洗i均壓充壓均壓 順放充壓大氣進氣均壓大氣進氣順放抽空抽空吸附如無特別說明，本發明所用的壓力都為本領域常用的表壓。 一般，利用順序放壓氣進行均壓，利用產品氣進行清洗，以及利用,3t(3 >-國進行充壓時，優先選擇鄰近的吸附床連通。為實現本發明所述的五床變壓吸附方法，本發明人提供T 一種五 床變壓吸附裝置。該裝置主要由五個吸附床，鼓風機和真空泵組成， 還可以包括氧氣產品罐。其中，各吸附床進口端相互連接，并分別與io 大氣、真空泵、鼓風機連接；吸附床的出口端相互連接，并與產品罐 連接，考慮到本發明需要同時利用順向放壓氣和產品氣，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圖1,包括五個吸附床(A, B, C, D, E); is 兩臺鼓風機(G1, G2);兩臺真空泵(VI, V2);和氧氣產品罐，上述設備由氣動切換閥門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，其中吸附床的進氣端相互連接，并通過閥門A1，吸附抽空 清洗7Bl， Cll， C12, 1)1, El連接到鼓風機的出氣管；各吸附床進口端相 互連接，并分別通過閩門A2， B2， C21, C22， D2， E2連接到真空 泵；各吸附床進口端相互連接，并分別通過閥門A3， B3， C3， D3， K3連接大氣；各吸附床出口端相互連接，并分別通過閩門A4， B4， C4, D4， E4連接到氧氣產品罐，而且各吸附床出口端相互連接，還 分別通過閥門A5, B5, C5, D5, E5連接到氧氣產品罐；以及各吸 附床通過止回閥Jl ~ J5分別連接氧氣產品罐。采用五床吸附工藝，每個操作步驟，都有兩個吸附床同時進行吸 附和抽真空，鼓風機和真空泵連續工作，提高了各設備的利用率；五 吸附床都不斷重復以上步驟，且各步驟相互錯開，周期性切換，使制 氧設備能夠平穩、連續地產氧。本發明的五塔流程徑向流的變壓吸附法，與標準三床吸附工藝相 比，鼓風機的風量與標準三床相同，在吸附時間、抽真空時間接近兩 床或三床流程的條件下，本發明的循環周期時間接近兩床，因此雖然 吸附床的數量增多到五床，但吸附周期的時間沒有增加，解決了氧產 量的上限問題，以及兩床流程和三床流程的弊端。本發明利用五床變 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 產量可以達到7000NmVh以上，解決了原有變壓吸附分離氧氣工藝氧 氣產量低、單位，產量的吸附劑利用率偏低，設備造價高等缺點。
圖l為本發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 均為氣動切換閥門，J1 J5為止回闊，(il、 G2為鼓風機，VI、 V2為真空泵。圖2為本發明按al alO分步驟運行的氣體流向圖，其中A ~ li為吸附床。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。 實施例l利用圖1所示的裝置，以空氣為原料利用本發明的五床變壓吸附法制造氧氣，該裝置包括A、 B、 C、 D、 E五個吸附床，兩臺真空泵 和兩臺鼓風機，由氣動切換閥門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；釆用兩臺最大鼓風量為600NmVh鼓風機；釆用兩臺容量為 800Nm3/h真空泵。在變壓吸附的 一 個周期內，每臺吸附床都經歷吸附、順向放壓(簡 稱順放)、抽真空(真空解吸)、清洗、均壓和充壓六個步驟，每個以下以A床為例，以每個吸附床的相關閥門變化步驟分為6步程 序，對6個步驟說明第一步(al,a2,a3，a4):吸附。閥門A1開啟，A2、 A3、 A4、 A5關閉。原料空氣經過濾消音器除 去機械雜質，經鼓風機增壓至壓力約30KPa，由底部(吸附床的進料 端)進入A床，A床的壓力為30KPa，水份和二氧化碳優先被分子篩吸 附，然后氮氣也被吸附，得到富集的氧氣從吸附床頂部排出。獲得的 氧氣--部分作為產品氣，經過止回閥J1進入產品罐，另一部分經壓力 調節后送往下游裝置， 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。當分子篩吸附氮氣接近飽和時，停止向吸附床A進空氣，且吸附 床A停止產氧，開始"順向放壓"。閥門A1、 A2、 A3、 A4關閉，A5開 啟，同時，開啟E5，使"順向放壓"的流出氣進入已接近完成"真空解 吸"的吸附床E，對其進行升壓。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，順放結東后，吸附床壓力為20KPa。第三步(a6,a7):抽真空。吸附床A "順向放壓"步驟結東后，用真空泵對吸附床A抽真空， 抽空結束后的吸附床壓力為-50KPa，使分子篩上吸附的氮氣解吸、分 子篩得到再生。此步驟中閥門A2開啟，Al、 A3、 A4、 A5關閉。第四步(a8):清洗。清洗"真空解吸"快要結束時，此時B床和E床正在吸附，用其一 部分產品氣對A床進行清洗，請洗時間為0秒，清洗的同時仍進行抽 真空，吸附床的壓力基本保持不變。此步驟中閥門A2， A4開啟，Al、 A3、 A5關閉。第五步(a9):均壓。清洗結東后，用吸附床B的"順向放壓"流出氣進行升壓，并回收 其中的氧氣，提高裝置的氧收率。此步驟中闊門A2， A5開啟，A、 A3、 A4關閉，直至A床的壓力為-40Kpa， B床壓力為20Kpa。第六步(alO):充壓和大氣進氣。"均壓"步驟完成后，開啟A3、 A5，關閉A1、 A2、 A4，通過大氣進氣閥引入空氣，同時產品氧氣也 對吸附床充壓，當壓力接近大氣壓時，關閉A3，繼續充壓，直至壓 力達到吸附壓力，充壓完成后進入下 一 個變壓吸附循環。同時，其他吸附床也根據其所處的步驟，利用順序放壓氣進行均 壓，利用產品氣進行清洗，以及利用產品氣進行充壓時，優先選擇鄰 近的吸附床連通，調節相應的閥門進行變壓吸附。在此過程中，真空 泵和鼓風機連續工作。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，產氧規模可以達到7000NmVh。
權利要求
1、一種五床變壓吸附制造氧氣的方法，利用五個吸附床進行變壓吸附分離氧氣，在一個吸附周期內，每臺吸附床都依次進行吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個步驟，各吸附床依次相差一個吸附步驟。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在進行各個步驟時， 都有兩臺吸附床在進行吸附步驟，兩臺吸附床在進行抽真空步驟。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，五個吸附床以管 道和閥門相互連接，調節閬門，利用順向放壓的氣體進行均壓。
4、 如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，五個吸附床以管 道和閥門相互連接，調節閬門，利用吸附步驟的產品氣進行清洗。
5、 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，五個吸附床相互 連接，充壓步驟利用產品氣和大氣同時進行充壓。
6、 一種五床變壓吸附裝置，主要包括五個吸附床，鼓風機和真 空泵，各吸附床進口端相互連接，并分別連通大氣、連接到真空泵和 鼓風機；各吸附床的出口端相互連接。
7、 如權利要求6所述的裝置，還包括氧氣產品罐，各吸附床進 口端相互連接；各吸附床的出口端都連接到產品罐。
全文摘要
本發明涉及一種五床變壓吸附分離氧氣的方法和裝置，本發明將五臺吸附床聯用進行變壓吸附，在一個吸附周期內，每臺吸附床都進行吸附、順向放壓、抽真空、清洗、均壓和充壓六個步驟，各吸附床依次相差一個吸附步驟，每個操作步驟都有兩臺吸附床進行吸附步驟，兩臺吸附床進行抽真空步驟。本發明的五個吸附床相互關聯，利用處于較高壓力狀態吸附床的順向放壓氣體對處于低壓狀態的吸附床進行均壓；利用吸附步驟的產品氣進行清洗；利用產品氣和大氣同時進行充壓。本發明可從空氣中分離純度為60-95％(體積百分比)氧氣，最大氧氣產量可以達到7000Nm<sup>3</sup>/h以上，解決了原有變壓吸附分離氧氣工藝氧氣產量低、單位產量的吸附劑利用率偏低，設備造價高等缺點。
文檔編號C01B13/02GK101531342SQ20091007674
公開日2009年9月16日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者劉世合, 劉忠鵬, 偉 唐, 賀 姜, 張佳平, 彭雪萍, 耿云峰, 謝有暢 申請人:北京北大先鋒科技有限公司