變壓吸附法回收熱量的制作方法

專利名稱：變壓吸附法回收熱量的制作方法
技術領域：
本發明涉及分離氣體時用的變壓吸附法(pressure swing adsor-ption)。更具體地說，本發明涉及廢熱在變壓吸附處理過程中的回收和利用。
變壓吸附(PSA)法是分離和提純氣體，例如用空氣分離法生產氧氣和氮氣時值得采用的方法。PSA法包括下列過程(1)在較高的吸附壓力下有選擇地吸附進給氣體混合物中較易吸附的組分；(2)在較低的脫附壓力下脫附較易吸附的組分；(3)從較低的脫附壓力再升壓到較高的吸附壓力。這種處理過程及其調節是在PSA系統中進行的。PSA系統通常有一個或多個吸附劑層，層上裝有吸附劑材料，能有選擇地從進給氣體混合物不太容易吸附的組分吸附其中更容易吸附的組分。處理過程是在每一個層中在與系統中其它各層處理程序的執行相互聯系的循環生產基礎下進行的。市面上出售的各種各樣的吸附劑材料都適宜在PSA處理過程中使用。適合這類用途的吸附劑材料有沸石分子篩材料，例如沸石5A和13X材料，這類吸附劑材料能從進給空氣中有選擇地吸附氮。
在PSA系統的處理過程中，吸附時放熱，脫附時吸附劑材料吸收熱量。因此，吸附劑層的溫度在吸附工序中必然升高，在脫附工序中必然下降。在一般的PSA處理過程中，例如在從空氣制氧和/或氮的過程中，氣體在吸附過程中的前向流量超過在脫附過程中的反向流量。因此，熱量有一前向凈流量，這必然降低PSA系統中使用的吸附劑層的平均溫度。
PSA法，特別是那些采用先進吸附劑的PSA法，對吸附溫度非常敏感。這里所說的先進吸附劑是指那些對進給氣體可吸附的選擇性較高的組分吸附能力強的吸附劑，例如LiX、CaX或其它由鈉沸石離子交換制取的沸石。PSA法，包括采用低于大氣壓的脫附壓力的真空變壓吸附(VPSA)法在內，看來在吸附劑層內處于特定溫度下時處理效果最好。現場數據表明，若沒有好好控制這個最佳溫度，則效果的變化可能會超過10％。值得注意的是，采用先進吸附劑的VPSA系統，其所使用的壓力比較傳統的PSA系統低。這樣，進給空氣機(即壓縮機)因壓縮熱而產生的熱量就較小。這使進給氣體的溫度和由此得出的吸附劑溫度基本上隨環境條件的變化而變化。由于先進的吸附劑為達到所要求的性能而要求一定的溫度，因而尋求不靠進給空氣機而能有效地將熱加到吸附劑的方法，往往就變得很重要了。
由于供氣溫度與環境溫度有關，因而光靠壓縮機壓縮空氣所產生的熱并不總是足以使吸附劑層達到所要求的溫度級。在暖和的環境條件下，吸附劑層自然而然達到充分的溫度級，這時進給空氣機的壓縮熱在進給氣流中產生的熱量。會足以將吸附劑加熱到環境溫度以上，從而達到所要求的溫度級。然而，在壓縮熱不足以產生這么大的熱量時，為了提高吸附劑的溫度和使系統達到最佳效能，就必須尋求加熱吸附劑或進給空氣或其它進給氣體的方法。在這方面，應該指出的是，暖和和寒冷的環境溫度條件與特定的溫度無關。當進給空氣機的壓縮熱產生足以使吸附劑層達到最理想溫度的熱量時，就存在這里所需要的暖和條件；另一方面，當處在寒冷條件時，為達到最佳的處理溫度，就需要給VPSA或其它PSA系統加熱。
這之前，人們總是試圖加熱工作溫度低于最佳條件下的溫度的吸附劑層。雖然進給空氣的壓縮熱是值得采用的熱源，但所產生的這些熱量并不能令人滿意地提高吸附劑層的溫度。有人提出過在吸附劑層的入口設一個對流式的熱交換器，這種熱交換器還用來增進熱流的分布。還有人提出利用反應所產生的暖和氣態產物，將其熱量直接傳送到吸附劑層。
然而，之前本技術領域仍然需要有一個控制吸附劑溫度以提高PSA/VPSA效能的改進方法。具體地說，需要有一個裝置，它在控制吸附劑的溫度同時又提高整個系統能量的利用率。
因此，本發明的目的是提供一種改進的方法和系統，以控制PSA/VPSA空氣中或其它氣體分離處理過程中吸附劑的溫度。
本發明的另一個目的是提供一種改進的方法和系統，以提高在所要求的吸附劑層溫度條件下運行的PSA/VPSA系統的能量利用率。
在上述和其它目的的基礎上，下面詳細說明本發明的內容。
本發明涉及的一種變壓吸附法，用以在一個吸附系統中分離出含較易吸附組分和較難吸附組分的進給氣體中的較易吸附組分，所述吸附系統有至少一個裝有能選擇地吸附所述較易吸附組分的吸附劑層，所述變壓吸附法有一套在各吸附劑層循環進行的處理程序，它包括(1)在較高的吸附壓力下將進給氣體混合物通入吸附劑層的進料端，從吸附劑層的別一端抽出較難吸附的組分；(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力，同時從吸附劑層的進料端排出較易吸附的組分；(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力，同時將進給氣體混合物在程序(1)中通入吸附劑層之前在進給氣體壓縮機中壓縮到所述較高的吸附壓力，而且被所產生的壓縮熱加熱，所述改進措施包括下述兩個方面(a)收集吸附系統中產生的熱量或一部分熱量；(b)利用收集到的廢熱預熱通到所述進給氣體壓縮機的進給氣體混合物，這時以較高的吸附壓力通入吸附劑層的進給氣體混合物則已由所述收集到的廢熱和所述壓縮熱預熱過；這樣就提高了處理過程能量的利用率，而且這種廢熱回收能達到的溫度高于在較低環境溫度下只壓縮進給氣體混合物時所能達到的溫度；將從吸附劑層的另一端抽出的較難吸附組分壓縮到更高的壓力級，然后從吸附系統加以回收，且包括下列工序(a)將進一步壓縮過的較難吸附組分氣體通到一個熱交換器中，以便將進一步壓縮該組分氣體所產生的壓縮熱傳給冷卻液；(b)將如此加熱過的冷卻液通入一個預熱器中，以便將所述壓縮熱傳給進給氣體混合物，然后將所述進給氣體混合物通入所述進給氣體壓縮機中。
它還包括這樣的工序將一部分如此加熱過的冷卻流體轉移到所述預熱器附近，以調節從如此加熱過的冷卻流體傳給所述進給氣體混合物的熱量；所述較低的脫附壓力低于大氣壓；它還包括下列工序通過一個處理用的鼓風機抽取較易吸附的組分；從所述較難吸附的組分分離出暖排水，并將所述暖排水通入一個預熱器，以便將其中的廢熱傳給其中的進給氣體混合物，然后將所述進給氣體混合物通入所述進給氣體壓縮機中；它還包括下列工序將整個吸附系統或系統的一部分安置在一個密閉建筑物中，以便從系統的各組成部分收集熱量用來預熱通入進給氣體壓縮機之前的進給氣體混合物；它還包括下列工序用生產過程用的鼓風機抽取低于大氣壓的較易吸附組分；從所述較易吸附組分分離出暖排水，并將所述暖排水通入所述密閉建筑物中的一個收集槽，用所述暖排水輻射出的廢熱加熱通到所述進給氣體壓縮機的所述進給氣體混合物；它還包括下列工序用所述密閉建筑物入口處一個過濾器抽取進給氣體混合物；所述進給氣體混合物由空氣組成；
在所述密閉建筑物內在處理循環中排放壓縮機空轉期間放出的進給空氣；將所述暖排水通入安置在所述密閉建筑物內的熱交換裝置，以便從所述暖排水回收廢熱將其排到密閉建筑物內的大氣中。
本發明涉及的一種變壓吸附系統，用以從含有較易吸附組分和較難吸附組分的進給氣體混合物中分離出所述較易吸附組分，所述吸附系統有至少一個裝有能選擇吸附所述較易吸附組分的吸附劑的吸附劑層，所述吸附系統適宜在各層中循環進行處理程序，該程序包括(1)在較高的吸附壓力下將進給氣體混合物通入吸附劑層的進料端，并從吸附劑層的另一端抽出較難吸附的組分；(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力，同時從吸附劑層的進料端放出較易吸附的組分；(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力，同時用構成整個吸附系統的一部分的一個進給氣體壓縮機將工序(1)過程中通入吸附劑床之前的所述進給氣體混合物氣壓縮到所述較高的吸附壓力；改進措施包括增設了下列裝置(a)機械裝置，用以收集吸附系統中產生的廢熱；和(6)預熱裝置，用以利用所收集的廢熱預熱通到進給氣體壓縮機的進給氣體混合物；這樣，吸附系統有效利用了其中產生的廢熱來預熱通到所述進給氣體壓縮機的進給氣體混合物，從而提高了所述吸附系統的能量利用率和總效能。
它包括(a)壓縮裝置，用以提高所述較易吸附的組分在其從吸附系統回收之前的壓力級；(b)熱交換器，用以將所述壓縮裝置產生的壓縮熱傳到冷卻流體中；和(c)預熱裝置，用以將所述壓縮熱從冷卻流體傳到通入進給氣體壓縮機之前的所述進給氣體混合物。
它還有一個控制裝置用以將一部分冷卻流體引到所述預熱器周圍，從而調節在所述預熱裝置中傳送到進給氣體混合物的熱量。
所述系統適宜在低于大氣壓的壓力下工作，且包括下列各組成部分；(a)處理用的鼓風機，用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分；(b)分離裝置，用以將較易吸附的組分與伴隨生成的暖排水分離開來；和(c)預熱裝置，用以將暖排水的廢熱傳給進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物；它還包括一個密閉建筑物，建筑物內裝有整個吸附系統或系統的一部分，從而從系統的各組成部分收集熱量用來預熱進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物；所述系統適宜在低于大氣壓的脫附壓力下工作，且包括下列組成部分(a)處理用的鼓風機，用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分；(b)分離裝置，用以將較易吸附的組分與伴隨而生的暖排水分離開來，和(c)一個收集槽，安置在所述密閉建筑物中，所述收集槽適宜從暖排水回收廢熱，用回收的廢熱加熱進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物；它還包括安置在所述密閉建筑物入口處的進給氣體混合物過濾器；它還包括放氣裝置，用以將進給氣體混合物在進給氣體壓縮機空載期間排放在密閉建筑物內；它還包括(a)熱交換裝置，安置在所述密閉建筑物內，便于廢熱從暖排水中回收廢熱到密閉建筑物內；和(6)管道裝置，用以將暖排水輸送到所述熱交換裝置。
本發明利用了PSA或VPSA系統自身產生的低級廢熱來提高系統的效能。在要求將空氣或其它氣體進行分離過程中原本要浪費掉的這種熱量，在這里卻能用來提高系統能量的利用率，提高整個系統的效能。
下面參看附圖以詳細說明本發明的內容。附圖中

圖1是本發明一個實施例的原理示意圖，其中從產品壓縮機或鼓風機回收的廢熱用來預熱通過PSA或VPSA系統進給空氣鼓風機的進給空氣。
圖2是本發明一個實施例的原理示意圖，其中利用真空排放分離的排水中的廢熱來預熱通到PSA或VPSA系統進給空氣鼓風機的進給空氣。
圖3是本發明另一個實施例的原理示意圖，其中用一個保溫的密閉建筑物從PSA或VPSA系統的各部分或一部分回收廢熱，用這些廢熱來預熱通到PSA或VPSA系統進給空氣鼓風機的進給空氣。
本發明的目的是通過回收和利用PSA或VPSA空氣中或其它氣體分離處理過程中原本要浪費掉的廢熱實現的。這種廢熱用來預熱通到將進給氣體傳送到PSA或VPSA系統的吸附劑層的進給空氣或通過其它進給氣體鼓風機的空氣或其它進給氣體混合物。通過回收利用所述廢熱，提高空氣或其它氣體分離處理過程中能量的利用率。此外，提高通到進給氣體鼓風機的進給空氣或其它氣體的溫度可提高通到PSA/VPSA系統的壓縮進給氣體的溫度使其高于進給氣體在環境溫度條件下原本所能達到的溫度，從而可以達到吸附劑層所要求的溫度條件。因此，本發明的作法提供了在環境溫度低的條件下使吸附劑床層達到所要求的溫度的有利辦法。每當進給氣體壓縮到所要求的較高吸附壓力級的過程中所產生的壓縮熱不足以獲取PSA或VPSA系統最理想處理情況所要求的溫度條件時，本發明就能以方便和有效的方式輕易達到所要求的溫度條件。
在本發明在附圖的圖1所示的實施例的實踐中，生成的氧氣在管路1中從PSA或VPSA系統通到產品氧氣壓縮機2中壓縮到所要求的產品等級。經壓縮的氧氣通過管路3傳送到產品熱交換器4，產品氧氣從熱交換器4出來，在管路5中回收，以便傳送到客戶的管路或所要求的管路。在所述熱交換器4中，產品氧氣與通過管路6的冷卻劑(以水為宜)進行熱交換，自身被冷卻下來，回收其壓縮熱。冷卻劑在所述熱交換器4中被加熱之后，從那里通過管路7通到進給空氣熱交換器8，在熱交換器8中被冷卻下來，通過管路9排出，以便再循環流回到產品熱交換器4中。作為另一種選擇方案，液流9在再循環使用之前也可以通到其它設備，例如其它熱交換器或冷卻塔等。管路10中的進給空氣通入所述預熱交換器8中進行預熱，然后通過管路11通入進給空氣鼓風機12中壓縮到所要求的吸附處理水平，再通過管路13通入PSA或VPSA系統中用以分離空氣和回收產品氧氣。
在圖1的實施例中，可以采用一個旁通控制裝置以方便控制在預熱熱交換器8中回收的供加到PSA/VPSA系統的進給空氣預熱用的廢熱。例如，可以用裝有控制閥15的旁通管路14轉移一部分已加熱的冷卻劑，使其通過管路7通入所述預熱熱交換器8中。在較暖和的環境條件下，可能需要減少對管路10中進給空氣的預熱量。這樣，接下去在進給空氣鼓風機12的壓縮過程中，進給空氣就可以在所要求的溫度下通過管路13，從而在下游的PSA或VPSA系統中達到所要求的溫度條件。下面的作法也屬于本發明的范圍，即在無需通過廢熱的回收和利用來預熱進給空氣、光靠進給空氣的壓縮熱就足以在PSA或VPSA空氣分離處理過程中達到所要求的溫度條件的暖和環境溫度條件下，將管路3中的全部或一部分已壓縮的氧氣產品轉移到產品熱交換器4周圍。
在圖1所舉實施例的實際應用中，本技術領域的一般技術人員都知道，可以利用從任何產品后冷卻器、中間冷卻器或其它在產品壓縮機、產品升壓壓縮機或脫附真空鼓風機油冷卻裝置上的熱交換器出來的冷卻劑，借助于熱交換器，例如上述預熱熱交換器8來加熱進入進給空氣鼓風機12之前的進給空氣(或其它進給氣體)。
這樣，進給空氣在通入所述進給空氣鼓風機12之前通過熱交換使進給空氣與暖水或其它經加熱的冷卻劑之間形成最大溫差，從而使冷卻劑和進給空氣或其它進給氣體之間達到最高的傳熱效率。雖然可能會有與經壓縮的進給空氣的熱交換令人滿意的特殊情況，但在該情況下所能加的熱量可能會比本發明用廢熱加熱進給空氣鼓風機入口的作法有所減少。
綜上所述，顯然一開始就應該決定應用本發明。為此，首先要確定達到所要求的層溫時所需要的進給溫度。舉例說，若VPSA系統的平均進給壓力為5psig(磅/平方英寸表壓)(即0.35千克/厘米)，則原料空氣壓縮到所要求的壓力級時壓縮熱產生的溫升約為50°F(27.78℃)。該溫升值和本發明的本實例一樣，可從鼓風機制造廠家獲取，或者按進給空氣鼓風機及其電動機的效率假設，從而不難計算出傳遞到進給空氣的能量。知道了該溫升值后就可以確定加入系統中使進入PSA/VPSA系統中吸附劑層的進給空氣溫度合乎要求的入口空氣溫度。舉例說，若用來進行某已知的空氣分離所要求的最佳進料溫度為100°F(37.78℃)，則在低于50°F(10℃)的環境溫度下工作的任何進給空氣鼓風機/PSA或VPSA系統需要加熱，使處理溫度達到所要求的理想情況。通過計算進給空氣的質量流過速率，不難確定達到所要求的吸附溫度所需要另外增加的熱量值。通過有效利用原本要浪費掉的廢熱，如圖1中所示的實施例那樣，本發明的作法可以用來使空氣或其它氣體分離PSA/VPSA處理過程中能量的利用率及過程的效能達到最理想的情況，從而在實際商業氣體分離處理過程中提高了得采用PSA技術在整個技術/經濟方面的可行性。
在本發明附圖2所舉的實施例中，采用了真空增壓器排放分離器排水處的暖水作為廢熱回收源來預熱壓縮到所要求的吸附壓力級之前的進給空氣或其它進給氣體。這種水，包括真空增壓器密封水和從空氣或氣體分離處理中的被脫附組分分離出來的水，可以收集在單獨的排水收集槽中。
在圖2的實施例中，較容易脫附的組分在從吸附劑中脫附出來后連同來自管路22的所述真空增壓器密封水一起，通過管路21通入真空增壓器23中。增壓器23排出物在較低的脫附壓下力通入管路24，通到傳統的排放分離器25中，進給氣體混合物較易脫附的組分從分離器25通過管路27通入排水收集槽28中。本發明為了回收熱量，這種暖和的排水用管路29上的污水泵30泵送入管路29中傳送到預熱熱交換器31中。在所述預熱熱交換器31中放熱時被冷卻下來的排水，通過管路32排出。進給空氣或其它有待PSA處理加以分離的進給氣體通過管路33通入所述預熱熱交換器31中，在交換器31預熱后通過管路3 4通入進氣鼓風機35壓縮，然后通過管路36在所要求的較高的吸附壓力下通入PSA/VPSA系統。暖和的排水的熱函原本是作為PSA處理操作的低級廢熱浪費掉的。但在本發明的作法中，有利和有效地利用了這種廢熱，使得在只利用進給氣體的壓縮熱不可能達到所要求的溫度級時可以達到所希望達到的PSA溫度條件。
為實現本發明的目的，還可以用種種方法從輻射熱源收集有用的熱量。處理設備，象處理用的鼓風機及其驅動電動機、產品壓縮部件、閉環冷卻系統設備、工藝管道、設備入口和排放輔助設施和/或任何其它工藝設備都是可回收廢熱的對流和輻射源。如附圖的圖3中所示，可以用密閉的建筑物來容納PSA/VPSA系統的各組成部分或整個系統，從而收集輻射出來的廢熱，利用這些廢熱來預熱系統入口處的進給空氣或其它進給氣體。密閉建筑物(這可以是保溫的密閉空間)內經收集的熱量輕易地加熱輸進來的進給空氣或氣體。將入口的過濾器安置在密閉建筑物內可以將從整個系統的密閉部分輻射時收集到的熱量直接傳給通入進給氣體(空氣)鼓風機的進給氣體(空氣)。因此，在圖3中，進給空氣通入入口管路41中，通到安置于在本實施例中用以容納VPSA空氣分離系統的所有各組成部分的封閉建筑物43內的入口過濾器42中。從入口過濾器42，進給空氣通過管路44通入進給空氣鼓風機45中。壓縮到所要求的吸附壓力的空氣從鼓風機45中出來，通過裝有閥門裝置47的管路46通入第一吸附劑床48，或通過裝有閥門裝置47a的管路46a通入圖中所示的雙層VPSA系統的第二吸附劑層48a中。裝有閥門50的卸料管路49從管路46延伸開，必要時可用來轉移進給空氣流，將其放氣。進給空氣中不太容易吸附的組分，即在用沸石分子篩從進給空氣中有選擇地吸附氮時為氧，在VPSA處理程序的吸附產品回收部分的過程中從層48通入裝有閥門51的管路67中，并從床層48a通入裝有閥門51a的管路68中。在所舉的實施例中，氧氣從這個或那個管路通入裝有閥門53的管路52中，以便傳送到產品氧儲缸54中。產品氧從所述儲缸中經裝有產品氧鼓風裝置56的管路55抽出，從密閉建筑物43中排出，輸送到氧產品的客戶那里，或輸送到要求使用VPSA系統的這類氧氣產品的地方。不言而喻，根據所示VPSA系統中進行的任何給定VPSA空氣分離處理過程中使用的特定處理程序，氧氣可以從一個吸附劑層的頂部或產品輸出端通過管路67和68傳送到另一端，或者來自產品氧儲缸54的一部分產品氧可以通過管路52送回這臺或那臺吸附劑層。
從圖中可以看出，氣體，例如進給空氣中較容易吸附的氮組分，在從吸附料中脫附時，可以經裝有閥門58的管路57從層48中抽出，傳送到真空增壓器59中。較容易吸附的氮同樣可經裝有閥門58a的管線57a從層48a抽出，傳送到管路57和真空增壓機59。從所述真空增壓器59的排出物通過管路60通入排放分離器61，從分離器61出來的氮氣則通過管路62作為廢氣排出，或供應要求使用氮氣的地方。排出的水獨立地從排放分離器61經管路63收集在排水收集槽64中。
由于采用密閉建筑物43，因而可以采用其它回收熱量的方法，例如，在所述收集槽64中裝上一個熱交換裝置65。舉例說，如圖中所示，所述熱交換裝置65可以是葉片式熱交換器，這樣熱量可以從該熱交換器輻射出來遍布密閉建筑物43內部，從而可以通過進給空氣鼓風機入口的過濾器42抽入。排出的水，在通入所述熱交換器65中往所述密閉建筑物43內部放熱之后，可輕易于通過管路66抽出，傳送到排水管路或要求使用水的地方。本技術領域的一般技術人員不難理解，若達到PSA/VPSA吸附劑層中所要求的最佳溫度只需要較小程度的熱量回收，則下面的作法也屬于本發明的范圍，即通過只將系統的一部分，而不是全部，封閉在所述密閉建筑物43中來利用從整個PSA/VPSA系統的只有一部分輻射出來的熱量。從排放分離62排除的暖排水回收熱量是廢熱回收方便而求之不得的回收源。在密閉建筑物(最好是絕熱的封閉建筑物)中裝設所述排水收集槽64，無論用或不用所述葉片式熱交換器65或其它這類熱交換器，以便于從暖排水中回收廢熱并提高這種回收的效率，都是回收廢熱、預熱傳送到進給空氣(氣體)鼓風機的進給空氣(氣體)較理想的方法。
本技術領域的一般技術人員不難理解，在不脫離本發明在本說明書所附權利要求書中所述的范圍的前提下是可以就本發明的細節作種種更改和修改的。不言而喻，本發明是不取決于所采用的具體PSA或VPSA的處理程序，或所要進行的是空氣分離抑或其它一些氣體分離處理，或所采用的具體處理條件，例如所采用的高壓力級或低壓力級。此外，應用本發明時所收集和利用的廢熱可以包括上述任何一種低級廢熱源或其組合或整個吸附系統任何部分中產生的任何其它低級廢熱。這里所使用的低級廢熱是PSA/VPSA系統中產生的、通常原本要浪費掉、可以有效收集和利用來預熱傳送到進給氣體壓縮機之前的進給氣體混合體的任何熱源。此外不言而喻，應用本發明時還可以采用其它各種廢熱源。舉例說，當氧氣PSA/VPSA系統中的廢氣流為不能在密閉建筑物中安全放氣的富氮氣流時，通過適當的熱交換可以利用富氮廢氣流中的廢熱來加熱某種液體，然后再用這種液體給待分離的進給空氣提供熱源。同樣，可從初次起動過程中或產品質量出問題期間排除的氧氣管道外的排氣流中回收廢熱。然而，鑒于進給空氣是無害的而且還因壓縮機在處理循環期間可能出現的空轉時間時受壓縮而提供一些熱量，因而送進去的空氣流可以直接在密閉建筑物內放氣。
應用本發明時，回收利用來預熱進給氣體(空氣)混合體的廢熱一般應能將進給氣的溫度提高至少10°F(約5.6℃)，且通常不超過80°F(約44.4℃)，最一般的范圍是20-50°F左右(約11.1-27.8℃)。舉例說，在0°F(約-17.8℃)的環境條件下，最好用現有的廢熱將進給氣(空氣)的溫度提高40-60°F(22.2-33.3℃)左右。在任何情況下，無需加外部熱量只利用PSA/VPSA系統本身產生的低級廢熱來提高入口氣體的溫度雖然要消耗更多的功來壓縮進給氣體等，但卻意外地提高了整個PSA/VPSA的效能。
因此，從PSA/VPSA系統內的各種熱源回收廢熱，并利用這種廢熱預熱送往進給氣體(空氣)鼓風機的進給氣體(空氣)，比起將外部能量加到系統的作法，在處理效能方面是提高了。應用本發明還有這樣的好處為提高吸附劑的傳熱能力，無需把吸附劑層設計得很復雜，也無需改變處理操作和減小系統中的質量流量。
比較一下給系統加上外部熱量的方法就能說明本發明廢熱回收的經濟效益。應該指出的是，VPSA進料鼓風機在環境空氣為10°F(-12.22℃)時的出料溫度因壓縮熱而在60°F(15.56℃)左右，即比環境溫度高50°F(27.78℃)。為使進給空氣達到所要求的100°F(37.78℃)的溫度，若將上述熱量加到已壓縮的進給空氣而不加到入口進給空氣，則與此有關的處理費用和設備費用的增幅就要加倍。
現有提高PSA系統效能的方法通常都不考慮廢熱回收，這是因為這種系統所需的投資額高，因而減少基本投資的目的是力圖降低系統的總成本。然而，為回收廢熱，不可避免地必然要花費更多的資金。因此，這種設計上的改進通常都被忽視，這種收集和利用低級廢熱來預熱壓縮之前的進給氣體混合體的動機歷來得不到支持，。然而，我們發現，上述避免PSA效能下降10％的好處大大補償了這種所需投資額的額外開支。此外，本發明還可通過有效地收集和利用傳熱潛力比其它熱源低的低級廢熱而享有這種好處。
用這種原本要浪費掉的廢熱預熱入口處的低溫進給空氣從而最大限度地發揮熱交換的作用，以及用密閉建筑物作為可從其中抽取入口空氣的散熱器，這一切都體現了熱量利用中非常可取的好處，由此提高了能量的利用率，而且出乎意料地提高了PSA/VPSA的效能。
本技術領域的一般技術人員不難理解，這里介紹的各種廢熱回收方法其任何要求的組合都可用來將進給氣體(空氣)預熱到所要求的溫度，從而使吸附劑層取得PSA達到最佳效能的理想溫度條件。應用本發明時，若采用多個廢熱回收源，則可以控制它們使之接通或切斷由它們組成的所要求的任何組合，從而提供預熱進給氣體所需要的熱量。雖然上面是特別就制氧的PSA空氣分離處理進行說明，但不言而喻，本發明也適用于各種其它的氣體分離處理，例如從氦或氫中分離出氮，其中氮為氣體混合物較易吸附的組分，或從空氣分離和回收氮產品，其中氮或氧都可以是進給空氣中較易吸附的組分。
可以看出，本發明是收集和利用PSA系統內產生的廢熱的特別有利的方法。無需從系統外加熱量就能很方便地回收廢熱，并將其有效加以利用，這不僅可以提高PSA法的能量利用率，而且還可以提高PSA系統的總效能。
權利要求
1.一種變壓吸附法，用以在一個吸附系統中分離出含較易吸附組分和較難吸附組分的進給氣體中的較易吸附組分，所述吸附系統有至少一個裝有能選擇地吸附所述較易吸附組分的吸附劑層，所述變壓吸附法有一套在各吸附劑層循環進行的處理程序，它包括(1)在較高的吸附壓力下將進給氣體混合物通入吸附劑層的進料端，從吸附劑層的別一端抽出較難吸附的組分；(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力，同時從吸附劑層的進料端排出較易吸附的組分；(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力，同時將進給氣體混合物在程序(1)中通入吸附劑層之前在進給氣體壓縮機中壓縮到所述較高的吸附壓力，而且被所產生的壓縮熱加熱，所述改進措施包括下述兩個方面(a)收集吸附系統中產生的熱量或一部分熱量；(b)利用收集到的廢熱預熱通到所述進給氣體壓縮機的進給氣體混合物，這時以較高的吸附壓力通入吸附劑層的進給氣體混合物則已由所述收集到的廢熱和所述壓縮熱預熱過；這樣就提高了處理過程能量的利用率，而且這種廢熱回收能達到的溫度高于在較低環境溫度下只壓縮進給氣體混合物時所能達到的溫度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將從吸附劑層的另一端抽出的較難吸附組分壓縮到更高的壓力級，然后從吸附系統加以回收，且包括下列工序(a)將進一步壓縮過的較難吸附組分氣體通到一個熱交換器中，以便將進一步壓縮該組分氣體所產生的壓縮熱傳給冷卻液；(b)將如此加熱過的冷卻液通入一個預熱器中，以便將所述壓縮熱傳給進給氣體混合物，然后將所述進給氣體混合物通入所述進給氣體壓縮機中。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的工序將一部分如此加熱過的冷卻流體轉移到所述預熱器附近，以調節從如此加熱過的冷卻流體傳給所述進給氣體混合物的熱量。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述較低的脫附壓力低于大氣壓。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，它還包括下列工序通過一個處理用的鼓風機抽取較易吸附的組分；從所述較難吸附的組分分離出暖排水，并將所述暖排水通入一個預熱器，以便將其中的廢熱傳給其中的進給氣體混合物，然后將所述進給氣體混合物通入所述進給氣體壓縮機中。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括下列工序將整個吸附系統或系統的一部分安置在一個密閉建筑物中，以便從系統的各組成部分收集熱量用來預熱通入進給氣體壓縮機之前的進給氣體混合物。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，它還包括下列工序用生產過程用的鼓風機抽取低于大氣壓的較易吸附組分；從所述較易吸附組分分離出暖排水，并將所述暖排水通入所述密閉建筑物中的一個收集槽，用所述暖排水輻射出的廢熱加熱通到所述進給氣體壓縮機的所述進給氣體混合物。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括下列工序用所述密閉建筑物入口處一個過濾器抽取進給氣體混合物。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述進給氣體混合物由空氣組成。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，它還包括，在所述密閉建筑物內在處理循環中排放壓縮機空轉期間放出的進給空氣。
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于，將所述暖排水通入安置在所述密閉建筑物內的熱交換裝置，以便從所述暖排水回收廢熱將其排到密閉建筑物內的大氣中。
12.一種變壓吸附系統，用以從含有較易吸附組分和較難吸附組分的進給氣體混合物中分離出所述較易吸附組分，所述吸附系統有至少一個裝有能選擇吸附所述較易吸附組分的吸附劑的吸附劑層，所述吸附系統適宜在各層中循環進行處理程序，該程序包括(1)在較高的吸附壓力下將進給氣體混合物通入吸附劑層的進料端，并從吸附劑層的另一端抽出較難吸附的組分；(2)將吸附劑層的壓力降低到較低的脫附壓力，同時從吸附劑層的進料端放出較易吸附的組分；(3)將吸附劑層的壓力再提高到所述較高的吸附壓力，同時用構成整個吸附系統的一部分的一個進給氣體壓縮機將工序(1)過程中通入吸附劑床之前的所述進給氣體混合物氣壓縮到所述較高的吸附壓力；改進措施包括增設了下列裝置(a)機械裝置，用以收集吸附系統中產生的廢熱；和(6)預熱裝置，用以利用所收集的廢熱預熱通到進給氣體壓縮機的進給氣體混合物；這樣，吸附系統有效利用了其中產生的廢熱來預熱通到所述進給氣體壓縮機的進給氣體混合物，從而提高了所述吸附系統的能量利用率和總效能。
13.如權利要求12所述的吸附系統，其特征在于，它包括(a)壓縮裝置，用以提高所述較易吸附的組分在其從吸附系統回收之前的壓力級；(b)熱交換器，用以將所述壓縮裝置產生的壓縮熱傳到冷卻流體中；和(c)預熱裝置，用以將所述壓縮熱從冷卻流體傳到通入進給氣體壓縮機之前的所述進給氣體混合物。
14.如權利要求13所述的吸附系統，其特征在于，它還有一個控制裝置用以將一部分冷卻流體引到所述預熱器周圍，從而調節在所述預熱裝置中傳送到進給氣體混合物的熱量。
15.如權利要求12所述的吸附系統，其特征在于，所述系統適宜在低于大氣壓的壓力下工作，且包括下列各組成部分；(a)處理用的鼓風機，用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分；(b)分離裝置，用以將較易吸附的組分與伴隨生成的暖排水分離開來；和(c)預熱裝置，用以將暖排水的廢熱傳給進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物。
16.如權利要求12所述的吸附系統，其特征在于，它還包括一個密閉建筑物，建筑物內裝有整個吸附系統或系統的一部分，從而從系統的各組成部分收集熱量用來預熱進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物。
17.如權利要求16所述的吸附系統，其特征在于，所述系統適宜在低于大氣壓的脫附壓力下工作，且包括下列組成部分(a)處理用的鼓風機，用以從吸附劑層抽取較易吸附的組分；(b)分離裝置，用以將較易吸附的組分與伴隨而生的暖排水分離開來；和(c)一個收集槽，安置在所述密閉建筑物中，所述收集槽適宜從暖排水回收廢熱，用回收的廢熱加熱進給氣體壓縮機上游的進給氣體混合物。
18.如權利要求17所述的吸附系統，其特征在于，它還包括安置在所述密閉建筑物入口處的進給氣體混合物過濾器。
19.如權利要求16所述的吸附系統，其特征在于，它還包括放氣裝置，用以將進給氣體混合物在進給氣體壓縮機空載期間排放在密閉建筑物內。
20.如權利要求17所述的吸附系統，其特征在于，它還包括(a)熱交換裝置，安置在所述密閉建筑物內，便于廢熱從暖排水中回收到密閉建筑物內；和(b)管道裝置，用以將暖排水輸送到所述熱交換裝置。
全文摘要
變壓吸附系統中產生的廢熱經過有效地收集，用來預熱通到進給氣體鼓風機以便壓縮到所要求的吸附壓力級的進給氣體，從而提高了系統的能量利用率和總效能。
文檔編號B01D53/047GK1132656SQ9511485
公開日1996年10月9日 申請日期1995年4月3日 優先權日1995年4月3日
發明者M·J·西尼克羅皮, T·M·阿龍, F·W·利維特, H·R·肖布, J·施莫拉列克 申請人:普拉塞爾技術有限公司