专利名称：单床变压吸附系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于空气分离的变压吸附系统。更具体地说，涉及在从空气中回收氧气的过程中，单床变压吸附系统的应用。
变压吸附(PSA)的方法和系统提供了一种工业上具有吸引力的从含有至少一种难吸附组分和至少一种易吸附组分的气体混合物原料中分离和提纯至少一种组分的方法。在较高的吸附压力下，在吸附剂床层中发生吸附，而将吸附剂床层的压力降低到较低的脱附压力，则使易吸附的组分从吸附剂床层脱附。吸附/脱附PSA方法的操作是公知的，例如在Wagner专利US3，430，418中公开了一种含有四个或更多个床层的PSA系统。在这一专利中，PSA方法通常是在循环的基础上以如下操作程序进行的，该操作程序包括在每一床层中(1)随着进料气体被引入到床层的进料端，发生加压吸附，同时难吸附组分作为产物气体从床的产物端释放出;(2)随着空隙气体(voidspacegas)从床层的产物端释放，顺流减压到中等压力;(3)随着易吸附组分从床层的进料端释放，逆流减压到较低的脱附压力;(4)在较低的脱附压力下任选吹扫，随着吹扫气从床的进料端通至床的产物端，进一步脱出从吸附剂床层脱附的易吸附组分;和(5)从较低的脱附压力再升压到较高的吸附压力，从而随着另外进料气体通至床层，使该循环能够重复进行。在顺流降压步骤中放出的空隙气，在多床系统中通常用于各床之间的压力平衡，并在较低的脱附压力下作为吹扫气体进入床层。这类不同形式的操作程序用于含有一个或多个吸附剂床的系统。
在许多化工提炼厂，金属生产以及其它的工业应用领域，高纯气体物流通常用于各种目的，例如高纯氧气用于各种产业，如化学加工，炼钢厂，造纸厂，铅及玻璃生产过程。许多这类用途一般需要氧气的纯度在90-93%范围内，而流量高达100，000ft3/小时或更高。PSA工艺非常适于用(例如)上述各种处理技术以及其一些改进技术来分离空气生产氧气和氮气，尤其适合于较小规模的操作，因为此时低温空气分离装置在工业上是不可行的。在为制备高纯氧气产物而设计的这种PSA系统中，氧气作为空气的难吸附组分，而氮气作为空气中的易吸附组分，其吸附剂床层通常含有一种能够选择吸附氮气的吸附剂材料，当吸附/脱附循环在PSA系统中进行时，随着床层压力降低到较低的脱附压力，所述氮气脱附并从床层中移出。
在PSA-氧气和其它的PSA应用中，为了达到更低的投资成本、更高的系统可靠性，理想的是设计、制造、运输和设备的成本降到最低。因此希望使用操作部件数最少的PSA系统和方法，所述操作部件例如吸附剂容器、吸附剂量、相关的罐、阀、压缩设备、工艺管线等。通过选用单位产物能耗较低的方法，尽可能降低PSA系统的操作成本。用于生产氧气的这种方法理想地表现出高的氧气回收率，同时其压缩设备能够使用较低的压缩比。
如在上述Wagner专利中所述的含有四个或更多的吸附剂床层的PSA系统，用于某些气体分离操作，尤其是要达到大容量，高纯度和高回收率时是理想的。在其它的用途中，使用两个或三个床的PSA系统是可能的也是理想的。例如已经发现将两个床的PSA系统用于各种实际的工业PSA-氧气用途是很理想的。要分离的进料气体混合物通常压缩到较高的压力，一般为几个大气压，然后进行所希望的选择吸附。产生的高压产物气体，即进料空气中低选择性的氧气组分，通过一个管线去下游供使用。在典型的2-床PSA操作中，采用超过大气压力的条件。因此就整个循环而言，部分在大气压力之上运行，部分在大气压力之下运行。分离通常在压力非常接近1大气压时发生，产物气体然后压缩到要求的下游压力。已发现这是一种节省开支的操作方式，因为必须压缩的气体实质上是产物，而不是全部的进料气体物流。然而，由于该PSA工艺循环包括压力和真空两个条件，因此要完成该循环需要两台机器，即进料压缩机和真空式吸送器。这样的2-床系统对于生产能力为20，000NCFH-50，000NCFH或更高的氧气生产装置在成本上是有效的。对于流量要求低于这一范围的各种用途，2-床真空变压吸附(VPSA)系统的投资成本使这样的工艺不经济。
为了降低初始投资成本，使VPSA系统更适合于低流量的用途，已提出了VPSA的单床单机实施方案。由于VPSA-氧气装置的大部分投资成本涉及各空气压缩机、容器和在所述容器中使用的吸附剂的成本，因此可以理解的是，无论是在超过大气压力的操作的系统中还是在不用真空状态的系统中，如果将系统中包括的压缩机和吸附剂容器的数量减少一半，就可以显著降低投资成本。另外，单床PSA系统比多床PSA系统所需要的阀门要少得多。
McCombs等人在US4，561，865中已经描述了一个单床PSA系统。在McCombs等人的方法中，当单一容器的顶部压力在一定水平时，由吸附剂床的顶部来的出料管线上的压力控制阀打开。气体通过出料管线直接进入外部的压力平衡罐。在McCombs等人的实施方案中，在压力控制阀的出口处从出料管线引出一个旁路管线并在该管线上装有一个止逆阀，该管线连至产品缓冲罐。当产品缓冲罐中的压力等于平衡罐中的压力时，止逆阀打开，产物气体同时进入到平衡罐和产物缓冲罐。当床层压力低于产物缓冲罐中的压力时，止逆阀能够防止气体从产物缓冲罐倒流到吸附剂床层。在这一装置中，平衡罐是产物缓冲罐的扩展，因为这两个罐都加压至相同的顶部压力，并含有相同纯度的气体。McCombs等人也提到了在抽真空之前使用放气步骤部分降低吸附容器的压力。
McCombs等人虽针对了本领域对单床PSA系统的需要，但为了能够使这样的单床操作满足低流量用途的需求，还需要作进一步改进。更具体地说，希望比用McCombs等人的方法以及其它类似的单床PSA得到更高的产物流量。
因此，本发明的一个目的是提供一个改进的用于低容量用途的从空气中回收氧气的低容量PSA方法和装置。
本发明的另一个目的是提供一个改进的低容量从空气中回收氧气的单床PSA方法和装置。
本发明的再一个目的是提供一个从空气回收产物氧气的流量增加的单床低容量PSA方法和系统。
考虑到这些目的和其它的目的，下面将对发明进行详细的描述，其新颖性在权利要求书中特别提出。
本发明采用单床PSA或VPSA方法和具有两个外部缓冲罐的装置。其中一个罐是外部产物缓冲罐，它提供目的产物，同时在PSA或VPSA操作循环的抽真空步骤中也向吸附剂床提供吹扫气体。第二个缓冲罐作为平衡罐，用于在减压期间收集从床层放出的空隙气体，并且在再升压期间向吸附床提供空隙气。
下面参考附图
对本发明做详细描述，附图是从空气回收氧气的单床单机VPSA系统装置特定实施方案的示意流程图。本发明的各目的通过采用单吸附剂床PSA或VPSA系统完成，该系统包括一个单处理机，即一个压缩机，在操作循环期间对单吸附剂床进行加压和减压。通常一起使用一个产物缓冲罐与一个平衡罐，以改进产物回收率和系统的动力需求。与McCombs等人的专利所代表的先有技术的单床PSA系统相比，通过实施本发明，性能上得以显著的改善。
参照附图，管线1用于将进料空气供入进料压缩机/真空式吸送器单元2，其中包括一个灰尘过滤-气体消音单元3和阀4，用管线5将所述单元2与管线6和7相连。管线6包括阀8和出口减震器单元9，气体从9通过管线10放出。管线7包括出口减震器单元11，用于进料气体冷却的后冷却器12和阀13。放出管线14包括阀15，与管线7相连接。管线16包括阀17，它在阀4下游与管线1相连接。管线7和16都连接到管线18上，管线18延伸到在合适的吸附容器中的单吸附剂床19的底部。管线20从所述吸附剂床19顶部延伸到与管线21和管线24相连并分别连至平衡罐23和产物缓冲罐26，管线21包括阀22，管线24包括止递阀25。产物氧气通过管线27从产物缓冲罐26引出，用于下游操作所需的用途。管线20也与管线28相连接，管线28包括阀29并延伸到所述缓冲罐26。
在采用附图所示系统的PSA方法的操作过程中，最好采用5步操作循环。该循环包括以下操作程序(1)加压/产物回收;(2)部分减压;(3)抽真空;(4)吹扫;和(5)部分再加压。
在所述操作程序的特定实施方案的操作中，在吸附剂床19刚刚部分再加压到约10psia的中等压力时，第一步开始。随着阀4和13打开，阀8、15、17、22和29关闭，由进料压缩机2供以进料空气。止逆阀25的取向应使得当吸附剂床19的压力大于产物缓冲罐26的压力时该阀打开。
当进料空气被引入到含有吸附剂床19的容器中时，该容器中的压力升高直到压力等于产物缓冲罐26中的压力，一般约为18psia。然后止逆阀25打开，将产物气体(即氧气)送到产物缓冲罐26。产物缓冲罐26的体积随着所需的产物流量和出口管线27的压力的不同而变化，但必须足够大，以容纳来自吸附剂床19的产物气流，并且应无大的压力波动，例如不大于4-5psia。它同时还必须能够容纳在吹扫步骤中从缓冲罐26倒流到吸附剂容器19的吹扫气流，而不能出现管线27中产物流动间断的情况。这样继续提供产物气体直到吸附剂床19的容器顶部的压力达到较高的吸附压力，一般为约22.5psia。此时操作循环进行到操作程序的第二步。另外，也可用压力控制阀代替止逆阀，使得在循环步骤的产物制造期间保持容器的压力恒定，以进一步改进方法。
应该注意到，在操作程序的余下的步骤中，产物缓冲罐26仍然为下游应用提供产物氧气，而不受吸附剂床19的容器和与其有关的其它设备的影响。在本方法中，第一步的运行时间一般为约18-25秒。进料空气的温度对应于环境的温度，但进入吸附剂床19的进料气体的温度通常高于环境温度30-40F，并且在吸附剂容器中的温度分布为在吸附剂床的底部温度低于环境温度约10-20F，在吸附剂床的中部近似于环境温度或最高比环境温度高约10F，在吸附剂床的顶部高于环境温度约30-40F。这些温度在整个操作程序中可能有小的变化。所采用的进料气体流量直接与要求的产物流量有关。对于90%纯度产物氧气回收率为50%时，进料空气的流量通常比相应的氧气产物流量高约9.5倍。
当操作程序中的第二步(即部分减压)开始时，阀13关闭而阀15打开。这使得进料压缩机2处于无负载状态，即从大气得到空气并放回大气。阀22打开，吸附剂床19从操作程序中的第一步达到的较高的吸附压力开始降压。空隙气从吸附剂床19的空隙容积排出并通过管线21进入平衡罐23。该罐的体积将随着所需装置的规模，即产物流量的不同而变化，但所述平衡罐23要求足够大，以能够在约14.5-15psia的压力下容纳所述来自吸附剂床容器的空隙气。在该罐中氧气的浓度一般为约85-89%。由于吸附剂床19的容器的压力将降至低于产物缓冲罐26的压力，止逆阀25将关闭。在该操作步骤期间，阀8、17、29保持关闭，该步骤继续，直到容器的压力降低到中等压力，如16psia，同时平衡罐23中的压力升高到14.5-15psia。第二步，即部分减压步骤的运行时间约为4-7秒。然后操作程序进入到第三步。在第二步期间吸附剂床19的容器的温度类似于上述第一步期间的温度。
当吸附剂床19的容器排放了一部分空隙气进入平衡罐23，且吸附剂床容器的压力下降到所述约16psia的中等压力后，操作循环进入到操作程序的第三步，即容器抽真空。操作第三步骤时，阀8和17打开，阀4、15、13、22和29以及止逆阀25关闭。结果吸附剂床容器19中的气体从吸附剂床容器19的底部引出，并通过管线16中的阀17到压缩机2的进口。该空隙气通过出口消音器9放空到大气。如此配置管线和阀使得压缩机2能够对容器19抽真空到低于大气压力。在操作循环的整个抽真空期间，抽真空气体的平均组成近似为90%的氮气和10%的氧气。为了提高压缩机用于真空时的性能，可以在压缩机的进口注入密封水以密封压缩机2叶片间的空隙。用水密封的方法使压缩机能够更好地在真空下运行。当容器被抽到压力低于大气压力时，导致吸附剂的空隙中氮气分压差，从而使氮气从吸附剂表面脱附，因而使吸附剂再生以准备从下一次进料空气中再吸附氮气，为下游的应用提供半连续流动的产物氧气。容器抽真空步骤持续进行，直到容器的压力达到要求的较低的脱附压力，例如真空脱附压力，如约5psia。该循环步骤的运行时间约30-40秒。然后操作循环进入到整个操作程序的第四步。
第四操作步骤是在较低脱附压力下的容器吹扫步骤。为此，阀29打开，一个小的旁路产物气流从产物缓冲罐26进入单吸附剂床容器19的顶部。这一气流的氧气浓度为90-93%，用于吹除容器中的大部分剩余的空隙气，这时的空隙气主要由脱附的氮气组成。吹扫气流置换存在于容器19空隙中的脱附气体，由于吹扫气流中不含高浓度的氮气，且吸附剂材料对氧气不具有选择亲和性，因此当容器中的压力开始升高时，空隙气将不会再吸附到吸附剂材料的表面。容器吹扫步骤在恒定真空度或恒定脱附压力下进行，其间阀8和17保持开状态，控制阀29打开，其它阀全部关闭。当容器中吸附剂空隙中的大部分脱附气体被产物气体置换后，操作程序进入到第五操作步骤，即部分再加压步骤。第四步，即容器吹扫步骤的平均运行时间为约7-10秒。为了在容器抽真空步骤中保持真空度基本恒定，如5psia，排出容器的脱附气体的流量近似等于抽真空流量。
操作程序的第五步是部分再加压步骤，其间阀8、17和29关闭，阀4和15打开，使压缩机2无负载运行。控制阀22打开到设置的阀位置。在操作程序的第二步(即部分减压步骤)期间收集到平衡罐23中的空隙气，在部分再升压步骤期间，用于使吸附剂容器19再升压到中等压力水平，如10psia。平衡罐23中的压力下降，在典型的VPSA应用中，该压力从约15psia降低到9.5psia。该步骤的运行时间基本上与部分降压步骤的运行时间相同，如4-7秒。一旦容器19被再加压到所述中等压力水平，则整个操作程序完成，循环又进行到其第一步。用另外的进料空气继续操作PSA或VPSA方法，操作程序反复进行。
在本发明特定实施方案的五步操作程序的每一步结束时，吸附剂床19、产物缓冲罐26和平衡罐23的近似压力如下表所示。
表各操作步骤结束时的压力
尤其是在VPSA操作中，通过采用一个单独的气体平衡罐提供再升压气体可使产物的回收率得以提高，动力要求降低。当吸附剂容器处于较高的吸附压力，且容器的部分降压开始时，从吸附剂床排出的气体被收集在所述平衡罐中。收集的气体是空隙气，它可以是吸附剂空隙所产生的容器吸附剂任何空隙容积(voidvolume)中包含的任意气体，以及当床压降低时从吸附剂表面脱附下的所有氮气。平衡罐中空隙气的纯度不同于产物缓冲罐中气体的纯度，这是因为平衡罐中一部分收集的气体是脱附的氮气，从而使空隙气中含有较高浓度的氮气。通常在平衡罐中氧气的纯度为约85-89%，而产物缓冲罐中的产物气体有较高的氧气纯度，一般为90-93%。当吸附剂容器在经过抽真空并处于负压以后，用该平衡罐或称接收罐中的空隙气，对容器部分再加压到约10psia压力。通过从部分降压步骤循环空隙气，而不是象先有技术那样将所述空隙气吹到大气中，可以使进入到系统中的氧分子更多地被回收，从而提高产物收率。产物收率的提高意味着在同等的空气进口流量的情况下，产物氧气的流量提高。产物流量的提高导致PSA系统的单位能耗更低。PSA方法中加入平衡罐，尤其是VPSA方法中加入平衡罐，有利于提高产物收率和节约单位能耗，与这两个显著的操作优势相比，平衡罐的成本相对而言是次要的。
本发明的另一个优越性是在抽真空步骤中，用产物缓冲罐中的产物氧气作为吹扫气体。例如当吸附剂容器处于负压条件时，吸附到吸附剂表面的氮气由于其分压差而脱附。脱附的氮气存在于容器中吸附剂材料的空隙中。理想的情况是从吸附剂容器中移出绝大部分的脱附氮气，因为容器中压力一升高，分压将使在容器中残存的氮气重新吸附到吸附剂的表面，从而使吸附剂得不到完全再生。通过从产物缓冲罐中引入含氧气90-93%的产物气体作为吹扫气，存留在容器中的氮气被冲洗出空隙并由产物氧气取代。当吸附剂床随后再升压时，空隙气主要由氧气组成，当容器中的压力开始升高时它也不再吸附，使吸附剂的表面保持完全再生状态，以准备下一个进料步骤。通常，吹扫气体的氧气纯度越高，吹扫步骤越有效，因为留在容器中的氮气越多，在部分再升压步骤中再吸附到吸附剂表面上的氮气就会越多，从而使吸附剂表面的再生有效性更低。当引入到容器中的吹扫气中可能的氮气浓度最小时，所需的空气分离将得以进一步强化。
在实施本发明时发现，产物流速与先有技术相比可提高20-25%，先有的技术是用产物气体为床层再升压气的气源的。而产物气用作再升压气源可能导致产物气体总量中只有一小部分能有效地用于下游的用途。通过用空隙气体对容器进行部分再升压，本发明的方法所产生的所有产物气体都能有效地用于所需的下游用途。这为单床PSA技术提供了一个很有特色的性能优势。
在实施本发明时，可以使用能够从空气中选择吸附氮气的任何合适的吸附剂材料。如熟知的分子筛，比如5A和13X沸石分子筛材料可以很方便地使用。
可以采用常规的沸石分子筛作为本发明实施中的吸附剂材料，同时，各种经特别修饰的材料也可以用于从进料空气中选择吸附氮气，并回收空气中不易吸附的氧气组分作为目的产物气。因此，在特定的实施方案中吸附剂可以是X沸石的锂阳离子形式或是其混合阳离子形式，如锂和钙的形式。发现锂X(即LiX)吸附剂在从空气或其它的含有极性较低或不易极化的分子物种(如氧气)的其它气体中吸附氮气时，表现出理想的容量和选择性。
在实施本发明中所用的LiX吸附剂材料是X沸石的锂阳离子形式，其中骨架中Si/Al2摩尔比约为2.0至3.0，优选2.0至2.5，而且其中至少88%，优选至少90%，更优选至少95%的AlO2四面体单元结合有锂阳离子。如此高度交换形式的LiX的氮气吸附性质总的说来是不可能从用其中86%当量或更少的阳离子锂而其余主要是钠的LiX材料得到的结果进行预测的。还进一步发现，在X-沸石骨架中AlO2四面体单元的相对比例从总四面体单元的44.4%增加到50%，且同时Li+离子也相应增加(即每种情况的Li+离子当量百分数都相同)，也有助于提高沸石对氮气吸附容量和选择性，这一增加值比仅仅增加LiX材料中的阳离子数量所表现出的相应增加值要大得多。
在制备用于实施本发明的LiX材料的过程中，可以使用通常可得到的X沸石起始材料。有两种这样的材料是SiO2/Al2O3比为2.5和2.0的两种X沸石，其中主要含钠阳离子，即NaX材料。2.5NaX分子筛可以参考milton的美国专利US2，882，244，用硅酸钠、铝酸钠和水作为试剂，在约100℃下进行水热合成而得，反应混合物组成如下(氧化物摩尔比)
2.0NaX材料可以以混合的钾-钠形式合成。首先在267g50%NaOH水溶液中溶解208g Al(OH)3，通过加热和搅拌形成第一溶液，即溶液(a)。溶解287g85.3%的KOH片于1000g水中，然后将形成的溶液与671g50%的NaOH水溶液混合形成溶液(b)。将溶液(a)慢慢加入到溶液(b)中形成溶液(c)，并冷却到4～12℃。用1，131.7g水稀释453.25g 40-grade的硅酸钠(9.6%Na2O;30.9%SiO2)形成溶液(d)。将冷却的溶液(c)加入到在一个混合器中的溶液(d)中并低速混合3分钟。在最后的混合中，冷却和避免产生过量的机械能是制备高质量产物的重要因素。成胶应该在4分钟之后发生。胶在36℃老化2-3天并在70℃蒸煮(digest)16小时。然后通过过滤分离出所需的分子筛，滤饼用7倍于母液体积的NaOH水溶液(PH＝12)冲洗。冲洗后的产物在4升NaOH溶液中(PH＝10)重新浆化，然后过滤回收并用水冲洗。重复浆化最好再进行两次，分离出的产品在空气中干燥。干燥后的产物在100ml1%NaOH溶液中浆化并在90℃于浆中保持21小时。过滤后的滤饼在60℃于1000mlNaOH溶液中(PH＝12)重新浆化30分钟，并过滤。重复浆化过程最好再重复2次，然后，过滤回收固体并用NaOH水溶液(PH＝9)洗涤，于空气中干燥。
用上面制备的2.5NaX可制得沸石“预型(preform)”烧结体首先用PH＝12且基本上由氢氧化钠和水组成的苛性溶液洗涤初始的沸石晶体，然后用水洗涤至PH＝9。洗涤后的沸石晶体与工业上可以得到的一种高岭土型粘土一Avery粘土掺合，其比例为80Wt%沸石20Wt%粘土。然后沸石粘土混合物与足够的水混合产生具有足够初始强度的可挤出物料，使挤出的片能够经受随后的焙烧步骤，在焙烧过程中，高岭土型粘土在约650℃经约1小时后，转化成为活性偏高岭土形式(metaKaolinform)。焙烧后，冷却得到的粘结烧结物，并在苛性水溶液中于约100℃进行浸渍和蒸煮，使偏高岭土主体转化成沸石晶体，主要是X沸石晶体。蒸煮后的烧结物从苛性蒸煮液中取出，并再次用新鲜的PH为9～10的氢氧化钠水溶液洗涤并在空气中干燥。干燥后的产物破碎并筛分形成具有方便大小的粒子，如16×40目。
如此筛目的颗粒在真空中在375℃加热约2.5小时活化。活化过程应十分仔细，以使沸石NaX晶体免受由夹杂和/或吸附的水形成的蒸汽的过度水热侵蚀。形成的已活化的材料就是2.5NaX活性材料。
在制备LiX材料时，未活化的筛分颗粒可进行离子交换，因此颗粒在一个玻璃柱中于80℃，与用LiOH调整PH到9.0的1.0M氯化锂水溶液接触。使用大量的氯化锂溶液，使得这些沸石颗粒最好在约14小时期间内与比理论量过量4倍的锂离子接触。流出柱子的离子交换溶液不再循环使用。得到的离子交换后的产物用水洗涤并用LiOH调PH到9，发现有94%的离子进行了交换。
使用根据上述制备的低氧化硅2.0NaKX材料时，如果需要可用氯化锂水溶液(用LiOH调整PH到9)进行离子交换，使材料中的碱金属阳离子被Li+离子取代到大于99%当量的程度。这一粉末形式的材料，包含2.0LiX材料(99%)。
本专业技术人员将领会到在LiX的制备过程中，或在混合阳离子吸附剂的制备中，某些细节可以进行各种变化和改变，这些都不构成涉及改进的PSA过程和系统的本发明的组成部分。基于这种理解，应该注意到例如2.5NaX材料也可以借助上述的柱技术，用小于或大于4倍于理论量的LiCl水溶液(用LiOH调整PH到9)进行离子交换，从而形成具有不同锂阳离子量的产物。也可以理解，所需的LiX材料也可以通过用碳酸锂或其它的锂盐代替氯化锂进行离子交换而制得。同样，得到的LiX材料或混合阳离子材料(如LiCaX材料)构成了用于本发明的特定的实施方案的所需吸附剂，这些材料可以在各种操作条件下使用，这些操作条件对应于给定用途的实际操作要求(如特殊的进料气或产物气的压力或温度条件)，或/和给定用途的分离水平和回收率。
在不超出权利要求书所列的本发明的范围内，对于本发明的细节可以进行各种其它的改变。如，通常使用筒形的吸附剂容器，并在其顶部和底部设有浅盘形封头，气体沿轴向流动。或者可以使用这样的吸附剂容器，其中气体沿径向流动，即气体流进外层圆柱状周边并进入内柱体内，在内层柱体收集产物气体。由于流动面积是变化的流动途径的横截面，因此与流动相关的压力损失会减小，从而进一步降低动力消耗。另外，为了装更多的吸附剂和生产更多的产物，吸附剂容器轴向可以很长，而流动途径的长度仍然是容器的半径，与径向流动相关的压力降保持不变。根据1000lb分子筛/TPD产物流的床规模系数(BSF)，在吸附剂容器中装15，000～80，000lb分子筛吸附剂时，这一类容器构型的气流范围在15，000～80，000NCFH氧气流量。
应该注意到使用锂交换的吸附剂的VPSA装置，在温暖的天气条件下，当进料温度在进料后冷却器中可用冷却水控制时，装置运行得非常好。然而，在冷的天气中，当环境温度接近或低于冰点时，吸附剂温度下降，用锂交换的吸附剂的性能下降。为了提高吸附剂容器的温度，进入容器的进料空气可以加热到接近于温暖的环境下所达到的温度。在夏季环境温度不大于75～80°F气候条件下这可以在压缩机的进口加一个预热器取代进料后冷却器。
为了使产物流动单元更经济有效，进料后冷却器和预热器都可以从本发明的特定实施方案中撤走。由于环境条件的变化以及导致的容器温度的变化而引起的产物回收率的下降并不足以说明PSA或VPSA系统中使用上述附加组件是必要的。不用进口空气消音/减震器的情况也在本发明的范围之内。由于气体的脉动效应，对于大规模的装置建议不要除去进口空气消音/减震器，但对于较小产物流量(即在5～10TPD范围的氧气产物)的装置可以不用。进料/真空放料消音器(即组件9和11)合并，可以简化PSA或VPSA系统，并在本发明的实际工业实施方案中节省总成本。
在需要较高纯度的产物的情况下，可以采用第六步，即第二次再升压步骤。在容器从平衡罐接受氧气纯度为85～89%的升压气体之后，第六步将采用来自产物缓冲罐的少量吹扫气流使较高纯度的氧气(如90～93%纯度)，进入吸附器的空隙区域(voidarea)。这样，空隙中的平均纯度提高，并生产出较高纯度的氧气产物，而不必为达到这一氧产物纯度而降低产物流量，仅在产物收率方面有些下降。
本发明对单床PSA和VPSA操作作出显著的改进。通过改进产物流量，提高单一吸附剂床的吸附容量，本发明在实际空气分离操作中提高了单床操作性能并提高了使用低成本单床PSA和VPSA系统的理想性。
权利要求
1.用于从空气中回收氧气的改进的变压吸附方法，包括(a)空气进料进入能够选择吸附氮气即空气中的易吸附组分的吸附剂材料单床的进料端，床的压力从中等压力升高到较高的吸附压力，同时氧气即空气中的难吸附组分从床的产物端进入压力接近所述较高吸附压力的产物缓冲罐；(b)随着空隙气体(voidspacegas)从床的产物端释放，使床顺流减压到中等压力，所述空隙气体进入平衡罐；(c)随着另外的气体从床的进料端释放，使床从中等压力逆流降压到较低的脱附压力；(d)产物气体的侧流作为吹扫气体，从产物缓冲罐进入床的产物端以置换处于较低脱附压力的从床中空隙容积中脱附的氮气，置换的脱附氮气从床的进料端放出；(e)从所述平衡罐将空隙气体引入到床的产物端，使床的压力从较低的脱附压力升高到所述中等压力；(f)另外的进料空气进入到所述单床的进料端，继续(a)-(e)步骤的循环操作；借此以增加的产物流量从空气中回收产物氧气，同时单床吸附剂材料的吸附容量也得到了提高。
2.按权利要求1的方法，其中所述较低脱附压力为负压。
3.按权利要求2的方法，其中较高吸附压力高于大气压力，且所述中等压力低于大气压力。
4.按权利要求1的方法，其中吸附剂材料包括沸石分子筛材料。
5.按权利要求1的方法，并且包括在步骤(e)将空隙气体引入到床的产物端之后，将少量的产物气体从产物缓冲罐引到床的产物端，借此以提高床空隙中氧气的平均纯度。
6.改进的从进料空气中回收氧气的变压吸附系统，包括(a)能够选择吸附氮气即空气中的易吸附组分的吸附剂材料的单床;(b)容纳从所述床的产物端放出的空隙气体的平衡罐;(c)容纳从所述床的产物端放出的产物氧气的产物缓冲罐;(d)将空隙气体送到平衡罐和将产物氧气送到产物缓冲罐的管线装置;(e)用于控制空隙气体向平衡罐流动、产物氧气向产物缓冲罐流动及所述空隙气体和所述产物氧气的侧流从所述各罐向所述床的产物端流动的控制装置;(f)空气进入所述床进料端的进料压缩机装置;和(g)空隙气体和氮气从床的进料端放出的管线装置，借此产物氧气可以以增加的产物流量在变压吸附系统中得到回收，同时单床吸附剂材料的吸附能力也得到了提高。
7.按权利要求6的系统，其中控制产物氧气向产物缓冲罐流动的所述控制装置包括止逆阀。
8.按权利要求6的系统，其中控制产物氧气向产物缓冲罐流动的所述控制装置包括压力控制阀。
9.按权利要求6的系统，其中吸附剂材料包括沸石分子筛材料。
10.按权利要求9的系统，其中所述吸附剂材料包括锂交换的沸石分子筛材料。
11.按权利要求6的系统，其中所述进料压缩机装置包括适于从床层的进料端将空隙气体和氮气送入管线装置以在负压下放出的进料压缩机/真空式吸送器装置。
12.按权利要求6的系统，并且包括在进料压缩机装置下游的后冷却器，以冷却进入床层进料端的空气。
全文摘要
单床空气分离PSA系统采用一个外部产物缓冲罐提供产物氧气并向吸附剂床提供吹扫气体，用一个平衡罐向床层提供空隙气体以使其再升压。
文档编号B01J20/18GK1101589SQ9411563
公开日1995年4月19日 申请日期1994年9月6日 优先权日1993年9月7日
发明者K·A·拉萨拉, H·R·肖布 申请人:普拉塞尔技术有限公司