專利名稱：用于分離混合氣體生產氣體的吸附方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及在至少一個吸附裝置中，通過分離含有某種氣體的混合物來生產該種氣體的方法，該吸附裝置包括彼此串聯的用于阻滯水的第一吸附床和用于分離的第二吸附床，該方法包括將混合氣相繼通過第一床和第二床的氣體生產步驟。
眾所周知，在所謂的PSA(變壓吸附)類方法中，在操作過程中，在分離吸附床中會逐漸形成一個溫度梯度，這會在分離床的上游部分造成一個特別冷的區域，特別是在操作約10小時后，這極大地影響了在真空和加壓的周期操作中的產量，而且，操作壓力越高(高于5×105帕)這個現象越嚴重。為了克服這一缺點，如在美國專利3,973,931中所述，曾提出加熱待分離的混合氣體，或者如上述專利中所述，將吸附床的上游部分浸到一個熱源當中，還有最近在EP-A-502,627中也敘述了如在第一段中所定義的類似吸附裝置。對于很小的裝置，加熱混合氣體可給出滿意的結果，但對于具有工業規模(大于每小時生產0.5噸氣體的能力)的裝置，則不起作用甚至禁止使用。在吸附床中加上有效的加熱裝置會大大增加生產成本。
本發明的目的在于提供一種只增加少量的生產成本和很低的操作費用就能簡單而有效地特別是在壓力高于7×105帕下制氧的分離工藝中基本上避免形成冷區的方法。
為此，按照本發明的一個特征，該方法包括如下幾個步驟提供一般不長的一段中間氣體通道，建立第一床與第二床之間的聯系，以及將一種熱流，最好是受控制的和低強度的熱流加到此中間通道以提高其溫度，一般提高到不低于-20℃，優選不低于0℃。
按照本發明的其它特點——中間通道固定地與一個熱源，比如一種氣體和/或一個產熱器建立熱交換的關系；——混合氣體是為了生產有壓力的氧而以高于7×105帕的壓力向吸附裝置供應的空氣。
本發明的另一個目的是提供一種為實施上述方法所用的吸附裝置，在將要分離的氣體生產回路中，它依次包括一個混合氣體入口、第一和第二吸附床以及生產氣的出口，其特征在于，它包括一段聯接第一床層的至少一段下游部分和第二床層的至少一段上游部分的中間通道，而且該通道與在中間通道內至少以一個方向向流經的氣體供應熱流的裝置相聯。
按照本發明的更具體的特征——中間通道部分與一個熱源，比如一種氣體或一個產熱器有熱交換關系；——第一床層與第二床層分別裝在比如環形的第一和第二疊放的箱體中，這時中間通道也是環形的。
通過下面實例的敘述，本發明的其它特點及優點將不言而喻，這些實例參照附圖用來說明，但不限制本發明。其中——
圖1是按照本發明生產高壓氣體所用吸附裝置的示意圖；——圖2是按照本發明在低壓下高產率地生產的吸附裝置的截面示意圖；以及——圖3是圖2的吸附裝置的一種改進實例示意圖。
在后文的敘述和附圖中，同樣的或相似的元件標有同樣的數字，如有必要會另加說明。
如圖1所示，一個用于生產高壓氧的PSA型裝置，如在先有技術中所知，一般包括至少兩個相繼排列的這種吸附單元。每個吸附單元依次包括(一個制氧相)一個壓縮空氣入口<1>、一個裝有可截留下空氣中的水和一氧化碳的材料(一般是氧化鋁)，并與第二吸附床B相聯的第一吸附床A，第二吸附床是適地截留下空氣中的氮，讓氧氣通過的材料(一般是5A沸石)，還包括一個氧產品出口<2>。
按照本發明的一種情況，吸附床A和B在結構上是分開的，它們被置于相互分開的箱體<3>和<4>中，后兩者之間由一比較短，一般直徑要明顯小于箱體<3>和<4>的縮徑中間通道<5>相連。在第一床A的下游區和第二床B的上游區之間形成冷點的區域因此可以準確地被定位，而且通過中間短管<5>與周圍大氣(最好由翅片<6>來增效)進行換熱，冷點形成區的溫度會升高幾十度(攝氏)。對于以壓力約10×105帕的空氣源制氧，當床A與床B是相鄰的兩個同樣箱狀體時，由于形成了溫度低于-70℃的冷點，制氧的純度不超過85％；使用了按照圖1的吸附單元，冷點的溫度達到約0℃，當生產率為約10Nm/h/m3時，產物氧的純度超過了90％。隨環境溫度不同，可用裝在中間短管<5>附近的加熱電阻<7>將“冷”區溫度調控在選定的范圍(一般為0-20℃)，吸附裝置的整體最好是保溫的。
如圖2所示，這如同在以本申請人的名義申請的1991年7月31日法國專利申請91.09718中所敘述的，是一個在所謂“真空”循環(該循環的高壓為0.9-1.5×105帕，低壓明顯低于大氣壓)下操作具有高產率的制氧裝置，它具有重疊放置的環狀吸附床。在此實例中，每個床層都限制在具有同心打孔的管式壁的箱體中，它們上下相疊地放在一個外套<8>當中，在床層A與B的周圍形成了一個環形氣體通道<9A>和<9B>。經由入口通道<1>引入的加壓供氣通過下層氧化鋁床層A沿徑向外流過一直到達下通道<9A>，由<9A>經過上通道<9B>，該氣體沿徑向流過上層沸石床層B，氧氣由中部通過出口管<2>。按照本發明，在通道<9A>與通道<9B>之間的連接區，通過一個隔板將氧化鋁床A的上端與沸石床B的下端分隔開，在此處裝有一個環形的加熱電阻<10>，以避免在此界面區域形成很冷點。最好是在中間通道<9A>的下游地區附近安裝電加熱線圈或熱流體加熱環管<11>，藉此加熱外套<8>以形成散熱器，也可避免氧化鋁床<A>的上部變冷。按照本發明更具體的特征，如上所述，整個中間通道<9A>和<9B>，因此也就包括層床A和B都用環狀保溫外套<12>包裹，比如可用加入了玻璃纖維的發泡聚苯乙烯包裹在外套<8>的外表面上。
圖3的實例在下面這一點上與圖2中及上述的法國專利中的例子不同，在此例子中，氧氣的向下出口不在中心，而是在周圍處，在B床層中間的中心區域<13>向上與環狀通道<14>相通，<14>向下延伸到氧氣出口<2>，并沿軸向夾在包有保溫層的外套<8>與從外面包圍著通道<9A>、<9B>的中間夾套<15>之間。以此方式，整個通道<9A>和<9B>都基本保持在離開上部B床的氧氣產品的溫度下，通過夾套<15>后，此溫度又被降低。如有需要，如在圖2中所述可以添加附加的電阻<10>和<11>。作為一種改型，可以在通道<9A>和<9B>之間的聯接區附近，只安置一個環狀的產氣回路。
雖然用特定的實例敘述了本發明，在此并不限制，相反倒是可以接受對專業人員是明顯的改變與變化。它可用于從含有不同的可為吸附層所吸附的組分的混合氣中用PSA生產氧氣以外的其它氣體。
權利要求
1.通過在至少一個吸附單元中分離含有某種氣體的混合氣生產該氣體的方法，該吸附單元含有依次相聯的截留水的第一吸附床(A)和用于分離的第二吸附床(B)，該方法包括將混合氣體依次通過第一床層與第二床層的生產氣體的步驟，其特征在于——提供在第一床層(A)與第二床層(B)這間建立聯系的中間氣體通道(5；9A，9B)；以及——向中間通道供應熱流，提高其溫度。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，它包括使中間通道部分(5；9A，9B)與熱源(6；10；H；14)具有穩定的熱交換關系。
3.按照權利要求2的方法，其特征在于，該熱源是一種氣體。
4.按照前述各權利要求中之一的方法，其特征在于，該混合氣體是空氣，生產的氣體是氧氣。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，以高于7×105帕的壓力向該吸附單元中供應空氣。
6.按照權利要求1至5中之一的方法，其特征在于，該中間氣本通道的溫度保持不低于-20℃。
7.實施前述各權利要求之一方法的吸附裝置，在生產所述氣體的回路中，該裝置依次包括混合氣體入口<1>、彼此相聯的第一吸附床<A>與第二吸附床<B>、以及所述氣體的出口<2>，其特征在于，它包括將第一床<A>的至少一個下游部分與第二床<B>的至少一個上游部分聯在一起，并且與向至少通過中間通路部分的氣體提供熱流的裝置(6；10；11；14)相聯的中間通路部分(5；9A，9B)。
8.按照權利要求7的裝置，其特征在于，至少一部分中間通路部分與一個熱源(10；11；14)有熱交換的關系。
9.按照權利要求8的裝置，其特征在于，該熱源是一種氣體(圖1；圖3)。
10.按照權利要求8的裝置，其特征在于，該熱源是一個熱發生器(7；10；11)。
11.按照權利要求7至9中之一的裝置，其特征在于，第一床(A)和第二床(B)分別裝在疊放的兩個相鄰的第一箱體<3>和第二箱體<4>中。
12.按照權利要求11的裝置，其特征在于，該兩個箱體是環形的，中間回路部分(9A，9B)也是環形的。
13.按照權利要求12的裝置，其特征在于，第一床(A)和第二床(B)在外面是保溫的。
14.按照權利要求8和權利要求12與13中之一的裝置，其特征在于，中間通路部分(9A，9B)與所述生產氣體的排氣回路<14>有熱交換關系。
15.按照權利要求10至13中之一的裝置，其特征在于，該熱發生器含有至少一個裝在中間通路(9A，9B)中的散熱部分<10>。
全文摘要
在一個PSA型氣體分離裝置中，在截留水的第一床(A)和有分離吸附劑的第二床(B)之間提供一個特殊的中間氣體通道部分<5>，向該部分供應受控熱流，以避免在操作時在兩個床層之間形成很冷的區域。特別是在用空氣制氧領域中的應用。
文檔編號B01D53/26GK1101484SQ94190008
公開日1995年4月12日 申請日期1994年1月4日 優先權日1993年1月8日
發明者塞爾維·弗雷瑟, 克里斯汀·馬勞特, 皮勒·比蒂, 簡-馬克·思庫迪 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發空氣股份有限公司