一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于气体分离【技术领域】，具体为一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统。本实用新型的两级串联变压吸附制氧系统，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；本实用新型是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置一贫氧气回收回路，将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体。本实用新型按照规定工步运行，可显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。
【专利说明】一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于气体分离【技术领域】，具体涉及一种两级串联变压吸附制氧系统。【背景技术】
[0002]变压吸附(PSA)是一种重要的、具有广泛应用的气体分离方法，变压吸附制氧方法是低温深冷制氧工艺的重要补充，用于由空气流生产氧气的传统PSA法通常采用如CaA，CaX, NaX, LiX型等氮吸附剂基于平衡吸附理论制氧，因这些吸附材料对氮气的吸附能力比氧气强，也即选择性，通常选择性达到3以上即可实现能效比不错的工业制氧，改良的合成沸石氧氮的选择性可以高达10，而且还在不断的突破，这样的选择性结合合理的分离流程甚至可以实质上做到氮气和氧气间的完全分离，但是，针对空气组分中的氩气，因氧气和氩气在这些吸附材料上的吸附等温线几乎相同，常规的这些合成沸石对原料空气中的氧气与氩气基本无选择性，即使假定所有氮气均被沸石吸附，富氧产品气流中也因含有约5%的氩气，从而使得采用常规的这种吸附氮气的基于平衡吸附理论基础PSA法一般不能产生氧气浓度大于95%的产品气,一般分离仅限制于88?95.7%的氧气产品,这就大大限制了需要纯度更高的诸如切割、医疗等氧气应用(需要大于97%以上的氧气，甚至需要99.5%以上的高纯度气体)。
[0003]因此，基于吸附方法来获得更高的氧气纯度，人们不得不采用更为复杂的多级变压吸附系统，国内专利CN1226142A就揭示了一种采用多级变压吸附获得了纯度98.4%的变压吸附方法，以沸石氮吸附剂祛除大量的氮气，以基于动力学分离特性的碳分子筛实现氧氩的分离，两级吸附系统采用了不同传质机理，其前级采用了基于平衡吸附传质机理的吸附系统，后级采用了基于动力学分离机理的吸附系统，尽管以单一动力设备实现了分离过程，但显然其15%的氧气回收率大大限制了其应用。
[0004]多级变压吸附在国外有代表性的分离方法主要以US4190424、US4959483、US4913339、US5395427、US5137549、US4190424、US4959083、US5226933 和 US5470378 为代表，现有的这些技术的多级PSA系统采用了至少两级PSA，有的采用了氮吸附剂首先由进料空气流产生含氧浓度大于95.0%的产品气，再以碳分子筛组成的第二吸附床层分离其中的氩气，有的先采用基于动力学分离原理的碳分子筛获得贫氩富氧气体再以采用基于平衡吸附理论的氮吸附剂继续富集以生产高纯度氧气，但在其采用的各种方法中，即在两段或者多段式PSA法中至少有两个不同的传质区，更典型的特征是至少在其中的一个传质区采用了动力学分离原理的碳分子筛来实现氧与氩的分离，其系统循环复杂、采用了大量的缓冲罐、动力设备为获得更高的氧气产品进行必要的清洗、置换或排代步骤，能源消耗巨大、造价闻昂。
[0005]中国专利CN201930684U揭示了一种氧氩混合气非深冷变压吸附分离装置，采用两个相同并均基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，实现了氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统的氧气回收率为50%，则该串联的两级变压吸附系统总的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。
[0006]中国专利CN101733070A揭示了一种氧氮氩混合气的分离流程，采用两个相同的基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，可实现氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统回收率为50%，则系统总体的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的在于针对前述现有技术的不足而提供一种可提高氧气回收率的基于平衡吸附传质机理的两级串联变压吸附制氧系统，并提供该系统的控制操作方法。
[0008]本实用新型提出的可提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，如图1所示，其中，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；本发明是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一贫氧气回收回路，并按照规定工步(步骤，也称为时序)运行，从而显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。
[0009]现有两级串联变压吸附制氧系统，其结构和流程如图2所示，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；其中，第一级PSA包括至少两个吸附塔(图中标为第一吸附塔IOlA和第二吸附塔101B)、第一缓冲罐P1，还包括各种控制阀门及连接管路，控制阀门包括VIA、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C等，这些控制阀门和管路分别组成吸附塔之间组成下述回路:
[0010]进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门(图中标为VIA、VlB)；
[0011]废气排除回路:用以选择性的将吸附塔吸附的氮气、氩气等废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门(图中标为V2A、V2B)，以及消音器XYQlOl ；
[0012]富氧产出回路:用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体(一级产品气)送至第一缓冲罐Pl ;图中标为:两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V3A、V3B ;该回路通过管路与第一缓冲罐Pl连通；
[0013]控制转移回路(即均压回路):用于将一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端。图中标为:第一吸附塔IOlA的产物端与第二吸附塔IOlB的进料端之间的连接管路及切换阀门V4B，第二吸附塔IOlB的产物端与第一吸附塔IOlA的进料端之间连的接管路及切换阀门V4A;
[0014]清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐Pl的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；图中标为:两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门V5A、V5B ;控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐Pl连通，在该管路上设有控制阀门V5C，用以控制清洗用的气体流量；
[0015]第一级PSA的吸附塔中填充氮吸附剂；
[0016]第二级PSA包括至少两个吸附塔(图中标为第三吸附塔201A和第四吸附塔201B)、一个压缩机AB201、一个第二缓冲罐P2、一个第三缓冲罐P3、一个第四缓冲罐P4，以及各种连接管路和管路上必要的控制阀门；第二级PSA的吸附塔中填充氧选择性等吸附剂，该吸附剂能从含氧、氩混合气中吸附氧气；第二缓冲罐P2与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接受自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的废气送回到吸附塔的出口端进行预充压；第三缓冲罐P3与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接收自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的工艺气体送回到吸附塔的出口端进行置换吸附剂气相的高纯度气体，并借助压缩机AB201 (或者真空泵)作为产品输出，或者排向一个并非完全必要的产品气缓冲罐；压缩机AB201与吸附塔的入口端通过控制阀门相连通，用以将被吸附塔吸附的气体通过控制阀门自吸附塔中取出；各种连接管路和管路上必要的控制阀门组成下述回路:
[0017]进料回路:用于把第一级PSA中第一缓冲罐Pl即产品气缓冲罐的气体引入第二级PSA的吸附塔中；该回路包括对应于各吸附塔的切换阀门(图中标示为V6A、V6B)，以及必要的连接管线；
[0018]富氧产出回路:用以选择性的将吸附塔与压缩机AB201通过控制阀门相接通，将气体自吸附塔取出，输送至产品气缓冲罐P4;该回路包括对应于各吸附塔的切换阀门(图中标示为V7A、V7B)和对应于产品气缓冲罐P4的控制切换阀门(图中标示为V7C)，以及必要的连接管线；
[0019]贫氧气体输出回路:用以选择性的将贫氧气体转移到第二缓冲罐P2或者将第二缓冲罐P2的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门(图中标示为V8A、V8B)和对应于第二缓冲罐P2的控制切换阀门(图中标示为V8C)，以及必要的连
接管线；
[0020]贫氧气体转移与置换回路:用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐P3或者将第三缓冲罐P3的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门(图中标示为V9A、V9B)和对应于第三缓冲罐P3的控制切换阀门(图中标示为V9C)，以及必要的连接管线；
[0021]置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，该回路包含对应于各吸附塔的切换阀门(图中标示为V10A、V10B)，与第四缓冲罐P4之间的控制切换阀门(V10C)，以及必要的连接管线；该回路是优选的，非必要的；
[0022]产品气、废气出口(如缓冲罐P2、缓冲罐P4出口)段分别具有可调节流量、控制输出压力的阀门V8D、V6F以及必要的连接管线；
[0023]还包括如公知技术的，一套完整的控制组件，用以对回路上的阀件进行必要的操作控制以及对压缩机进行必要的操作控制。
[0024]本实用新型中，将上述第二级PSA中贫氧气体输出回路改为贫氧气体回收回路，即在第二级PSA的贫氧气体输出回路中，删去第二缓冲罐P2，而在切换阀门V8C出口与第一级PSA中的切换阀门V5C的入口之间用管路连接，并在该管路上设置单向阀DXF8A，构成贫氧气体回收回路。
[0025]经本实用新型改进的两级串联变压吸附制氧系统，其第一级PSA以采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，产生的富含氧、氩组分的混合气，其组分约02，90-95%; Ar, 4?5%，其余为氮，如公知变压吸附技术，其氧气回收率通常为42?60% ；第二级PSA采用氧选择性吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氩分离，并将其中第二级氧氩分离系统产生的贫氧气体回收至其中第一级氧氮分离系统，氧气的总回收率得到显著了显著的提高，可达30?35%，较传统技术提高了 5-10%。
[0026]有关本实用新型中的部分名字释义如下:
[0027]所说的产品气，是指较容易被吸附剂吸附的气体，如相对氧选择性吸附剂来说，氧气较容易被氧选择性吸附；
[0028]所说的废气，是指相对产品气来说难以被吸附剂吸附的气体，如氩气、氮气相对氧气来说较难被氧选择性吸附剂吸附；
[0029]所说的吸附塔，也可称为吸附器、吸附床、分离器，是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力；
[0030]所述变压吸附、吸附分离，PSA等词，本专业的技术人员会承认，这些方法所指不仅是PSA方法,还包括与之类似的方法,如真空变压吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更宽广的意义上理解，也就是说，对于周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，可以包括大于或等于大气压力，而周期性循环的解吸压力，一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，则包括小于或等于大气压力；
[0031]提到的压力除注明是表压，其它均指绝对压力；
[0032]所述的难吸附组分，是指相对于较为容易吸附的组分而言，同样的，易吸附组分则是指相对于较难吸附的组分而言。
[0033]附图中，以V打头的符号代表自动控制阀门:如V1A/V1B, V2A/V2B, V3A/V3B, V4A/V4B, V5A/V5B/5C, V6A/V6B/V6C/V6D/V6E/V6F, V7A/V7B/V7C/V7D, V8A/V8B/V8C/V8D, V9A/V9B/V9C, V10A/V10B/V10C,等等，都是自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，当然，也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动控制阀；
[0034]DXF8A，代表单向阀，也称为逆止阀，止回阀；
[0035]01A，01B，101A，101B，201A，201B等是吸附塔编号，装填有至少一种或多种吸附剂；
[0036]PI, P2，P3，P4等代表缓冲罐或称为平衡罐；
[0037]AB01, AB101, AB201等代表压缩机、升压设备。
[0038]XYQlOl代表消咅器。
[0039]本实用新型通过在串联的两级分离系统的第二级氧氩分离系统中设置贫氧气体回收回路，与现有技术相比较，系统的总回收率得到显著的提高。本发明的两级串联并均基于平衡吸附机理的变压吸附制氧系统(氧氮氩分离)，按照下述步骤运行:
[0040]一、经公知技术预处理后的压缩空气进入第一级采用氮吸附剂基于平衡吸附理论的变压吸附系统进行氧氮分离，自动阀门在按照如下表规定的切换，两个吸附塔101A，101B异相顺序运行，产生富含氧、氩组分的混合气其组分约02:90-95%，Ar:4?5%，其余为氮，收集于Pl缓冲罐；其操作骤如下表:
[0041]
【权利要求】
1.一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，其中，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统；其特征在于:在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一贫氧气回收回路，用于将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。
2.根据权利要求1所述的能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，其特征在于: 第一级PSA包括至少两个吸附塔(101AU01B)、第一缓冲罐(Pl )，还包括各种控制阀门及连接管路，控制阀门包括VIA、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4B、V5A、V5B、V5C，这些控制阀门和管路分别组成吸附塔之间组成下述回路: 进气回路，用于将经预处理的压缩空气输入吸附塔，该回路包括输入管路，及对应于吸附塔的切换阀门(VIA、VlB)； 废气排除回路:用以选择性的将吸附塔吸附的氩气等废气自进料端排除，该回路包括输出管路，及对应于吸附塔的切换阀门(V2A、V2B)，以及消音器XYQlOl ； 富氧产出回路:用以选择性的将吸附塔产出的富氧气体即一级产品气送至第一缓冲罐(PD ;该回路包括:两个吸附塔处口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门(V3A、V3B);该回路通过管路与第一缓冲罐(Pl)连通； 控制转移回路:用于将 一个吸附塔产物端的气体转移至另外一个吸附塔的进料端；该回路包括:第一吸附塔(101A)的产物端与第二吸附塔(101B)的进料端之间的连接管路及切换阀门(V4A)，第二吸附塔(101B)的产物端与第一吸附塔(101A)的进料端之间连的接管路及切换阀门(V4B)； 清洗回路，用以选择性的将第一缓冲罐(Pl)的富氧产品气体送入吸附塔的出口端；该回路包括:两个吸附塔出口之间的连接管路，及对应于两个吸附塔切换阀门(V5A、V5B);控制清洗与转移回路通过管路与第一缓冲罐(Pl)连通，在该管路上设有控制阀门(V5C)； 第一级PSA的吸附塔中填充氮吸附剂； 第二级PSA包括至少两个吸附塔(第三吸附塔201A、第四吸附塔201B)、一个压缩机(AB201)、一个第三缓冲罐(P3)、一个第四缓冲罐(P4)，以及各种连接管路和管路上必要的控制阀门；第二级PSA的吸附塔中填充氧选择性吸附剂，该吸附剂能从含氧、氩混合气中吸附氧气；第三缓冲罐(P3)与吸附塔的出口端通过控制阀门相连通，用以接收自吸附塔富集的难以被吸附剂吸附的废气，以及将接收的工艺气体送回到吸附塔的出口端进行置换吸附剂气相的高纯度气体，并借助压缩机(AB201)作为产品输出，或者排向一个并非完全必要的产品气缓冲罐(P4);压缩机(AB201)与吸附塔的入口端通过控制阀门相连通，用以将被吸附塔吸附的气体通过控制阀门自吸附塔中取出；各种连接管路和管路上必要的控制阀门组成下述回路: 进料回路:用于把第一级PSA中第一缓冲罐(Pl)即产品气缓冲罐的气体引入第二级PSA的吸附塔中；该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门(V6A、V6B),以及必要的连接管线； 富氧产出回路:用以选择性的将吸附塔与压缩机(AB201)通过控制阀门相接通，将气体自吸附塔取出，输送至产品气缓冲罐(P4);该回路包括对应于两个吸附塔的两个切换阀门(V7A、V7B)和对应于产品气缓冲罐(P4)的控制切换阀门(V7C)，以及必要的连接管线；贫氧气体转移与置换回路:用以选择性的将贫氧气体转移到第三缓冲罐(P3)或者将第三缓冲罐(P3)的气体转送入吸附塔的出口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门(V9A、V9B)和对应于第三缓冲罐(P3)的控制切换阀门(V9C)，以及必要的连接管线；置换清洗回路，用以将更高纯度的产品氧气体转移到吸附塔的入口端，该回路包含对应于两个吸附塔的两个切换阀门(V10A、V10B)，与第四缓冲罐(P4)之间的控制切换阀门(V10C)，以及必 要的连接管线； 贫氧气体回收回路，包括第二级PSA中第三、第四吸附塔的贫氧气出口至第一级PSA中切换阀门V5C的入口之间的连接管路，以及该管路上对应于第二级PSA中第三、第四吸附塔的两个切换阀门(V8A、V8B )、中间的控制切换阀门(V8C)、单向阀DXF8A。
【文档编号】B01D53/047GK203724983SQ201420068873
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】陈宗蓬, 刘安涟, 王晨, 申广浩, 罗二平, 贾吉来, 谢东红, 俞晓峰, 刘辉 申请人:上海穗杉实业有限公司