空气的吸附分离方法

专利名称：空气的吸附分离方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的从空气中分离氧气或氮气的方法，它是基于真空转换吸附(VSA)或压力真空转换吸附(PVSA)原理，利用优化的真空泵组解吸所吸附的空气组分。
在工业生产中，已经借助于分子筛沸石在环境温度下，大规模从空气中生产氧气。
这里是利用氮气和氧气对比，氮气被优先吸附的特点，即，空气中的氮气被吸附在沸石上；在空气流过沸石填料床后，可在填料床的出口收集作为产品的较弱吸附组分，如氧气和氩气。然后通过例如将填料床抽真空以解吸所吸附的氮气。在这种情况下，和众所周知的压力转换吸附法(PSA)相反，该方法被称为真空转换吸附(VSA)。连续的VSA法按下列过程运行a)例如在环境压力下，使空气穿过用来吸附的沸石填料床，并从出口处收集富O2气体；b)用真空泵，沿与空气流相反的方向，在入口处抽空填料床至大约100至400hPa的压力，还可同时用部分产品进行吹扫；c)沿与空气流相反的方向用产品O2充满填料床，至大约环境压力。在PSA法中，步骤a)在200-600kPa的压力下进行，而步骤b)在大约100kPa的压力下进行，同时用部分氧气吹扫。压力总是指绝对压力。)由于有三个步骤，通常该过程在三个分设的沸石床简称吸附器中运行，它们通常是循环轮换使用。
已经公开的还有用真空再生的分离过程(如US397696)，其中两个吸附器和一个产品储存器以循环方式运行，或者用一个产品储存器与一个吸附器轮换使用。
吸附装置的经济效益受到基本投资的影响，例如，吸附剂量、真空泵的尺寸、尤其是运行费用，如真空泵的能耗。因此，每一项研究的目的都是在选择分子筛使用量、真空泵的尺寸和真空泵能耗之间进行优化。至今为止用于真空吸附的真空泵是带有正位移功能的两级或三级旋转活塞压缩机(见EP0158262)或具有正位移功能的水环泵。
可当作真空泵使用的别的压缩机是离心式压缩机(参阅例如EP575 591)。这种压缩机也称为离心鼓风机，具有可将反压对吸入压力的操作压力比加大到约2.6。但为了最佳的使用，也就是达到尽可能低的能耗，还需选择一定的吸入压力与排出压力之间的比值。人们称这一比值为最佳压力比7π。对于一般的离心鼓风机这一压力比π约在1.6到1.7。因此离心压缩机最佳地用作真空泵时，包括与之串联的消音器中的压力损失在内的反压力要等于1000hPa，并必须在吸入口维持625或588hPa的恒定压力。然而，由于在VSA装置中，抽真空压力在大约1分钟内从最大压力(PDes-1)，通常为950hPa减小到最小压力(PDes-min)，例如300hPa，考虑到降低能耗，不可能在一个生产阶段操作中只使用一个离心压缩机来使压力降低。
一种可能方式是在离心压缩机前设置一个节流部件，人为地产生压力差。然而，在压缩比Π为1.6时，优选地最小的抽真空压力只有625hPa。而且在抽真空过程中，由于气流在通过节流部件时降低了抽吸能力，所以造成了相当大的能量损失。如果希望利用离心压缩机，使抽真空压力小于压缩比π规定的压力，那么离心压缩机必须安装在抽吸管线上，并将有基本恒定抽吸能力的真空泵连接在离心压缩机的后面。具有有效恒定抽吸能力的真空泵的例子是那些有正位移功能的泵，如水环泵或注油式回转滑阀泵。旋转活塞压缩机是另一种正位移泵。
本发明的目的是提供一种节省能量的生产富氧气体的方法，该方法利用低能耗的真空泵。
已经发现，用VSA/PVSA方法，分离空气来生产富氧气体的情况下，在整个抽真空过程中，可联合使用离心压缩机和正位移真空泵，即，使它们并联运行间或转换成串联运行，或者在抽真空的时间只是串联运行，与传统的两级旋转活塞压缩机相比，这种运行方式有压力范围比较宽的优点。
本发明的具体内容是提供一种利用吸附装置，从空气中分离氧气或氮气的方法，该吸附装置包括一个或多个含有氮和氧吸附剂的吸附器，优选是氮吸附剂，吸附装置与由离心压缩机和按正位移运行的真空泵特别是旋转活塞压缩机组成的真空泵组相连接，穿过吸附器的进口将空气通入吸附器，使吸附器进入吸附阶段，在环境压力或者比环境压力小100hPa，或者超过环境压力500hPa的压力下，从吸附器的出口抽出富氧气体或富氮气体，在一定的吸附时间后，优选在20-120秒后，进入减压阶段，将吸附器中的压力降低到PDes-1，相当于环境压力或者至少小于环境压力的0.6倍，然后，进入解吸阶段，在一定的解吸时间内，尤其是20-120秒，借助于真空泵组，解吸吸附器中所吸附的氮或氧，将压力从较高的压力PDes-1降低到较低的压力PDes-min，该压力相当于至少0.05倍的环境压力，然后再进入压缩阶段，在压缩阶段中，将压力再次升至吸附阶段的压力，其特征在于在解吸阶段开始时，可能前置节流的真空泵组的离心压缩机和正位移真空泵处于与吸附器并联或串联，尤其是并联的状态对吸附器进行抽吸，在较低的解吸压力下，改为使离心压缩机和正位移泵串联连接，用串联连接的真空泵组对吸附器作用，正位移泵连接在离心压缩机的压出端，并且，在离心压缩机和正位移泵以串联模式运行过程中，控制或选定泵的尺寸，使其在抽空阶段达到平均最佳压缩比π。
将泵组从并联运行调整到串联运行，有时也在离心压缩机前的抽真空压力为PDes-0时进行，尤其是当抽真空压力PDes-0至少达到由，正位移泵出口处的压力P0除以0.65*π的压力值。
优选是在抽空阶段开始时，将离心压缩机和正位移泵以串联方式运行。
本发明的另一个优选方案是，在从并联运行变化到串联运行时，压力PDes-0至少等于在正位移泵出口侧的压力P0除以1.15倍的离心压缩机压缩比Π的压力。
本发明的另一个特别优越的变换方案是，在给定初始抽真空压力PDes-1的情况下，在解吸阶段开始时，最小抽真空压力PDes-min处在从下式得出的压力范围内PDes-min=P0/1030 hPa*(0.25*PDes-1-100hPa)以及PDes-min=P0/1030 hPa*(0.5*PDes-1)泵组从并联运行到串联运行的转换可以，例如，借助于吸附装置中的控制系统，按照一种设定时间或压力讯号来进行控制。
如果在一种特殊情况下，根据正位移原理运行的串联真空泵不得不在小于0.25倍环境压力的抽真空压力下运行时，可由两个或三个顺次相联接的正位移泵组成泵组。
本发明的其它特定实施例可在后附的权利要求中找到。
下面参照附图用优选实施例描述本发明的VSA法。


图1是已知的一级旋转活塞压缩机抽吸能力的特征曲线。
图2是已知的两级旋转活塞压缩机抽吸能力和轴功率的特征曲线。
图3是离心压缩机和旋转活塞压缩机串联组成的泵组随压力变化的轴功率特征曲线。
图4是从并联运行变化到串联运行，由离心压缩机和旋转活塞压缩机串联组成的泵组随压力变化的轴功率特征曲线。
图5是本发明VSA装置的流程图。
图6是当初始压力为950hPa时，在解吸阶段吸附器入口的压力随时间变化的曲线。
a)离心压缩机与旋转活塞压缩机串联运行b)两级旋转活塞压缩机c)离心压缩机和旋转活塞压缩机从并联运行转变到串联运行图7是当初始压力为800hPa时，图6中各种情况的压力随时间变化的曲线。
下列实施例中使用的VSA装置图如图5所示。
实施例VSA装置有下列部件入口阀11A、12A、11B、12B、11C、12C出口阀13A、14A、15A、13B、14B、15B、13C、14C、15C控制阀17ABC、18ABC阀16ABC空气压缩机C10加热器H10产品压缩机G10真空泵组V10在下面的描述中，使用了下列缩写词P0=泵组出口处的压力相当于环境压力加上泵组末端消音器的动压力
PDes-1=在解吸阶段开始时泵组前方的压力PDes-0=当泵组从并联运行转换到串联运行时，泵组前方的压力PDes-0,min=在泵组从并联运行转换到串联运行时，泵组前方的最小压力Pdes-min=泵组前方的最小解吸压力吸附器A、B和C中装填有粒径为1-2.5mm的粒状Ca沸石A，该沸石的生产过程见EP-A 0 170 026的实例2。在1000hPa和25℃下，粒状吸附剂上氮气的吸附量为14Nl/kg，而氧气的吸附量为4.3Nl/kg。
吸附器的内径为1000mm，填料床的总高度为2200mm。在吸附器的入口处设置有20cm厚的一层硅胶。沸石颗粒床的高度是200cm，沸石的重量是1000kg。
吸附器A、B和C以循环方式运行。在该流程图中，开始时间t=0，在t为0秒时，吸附器A已完成了吸附。
在该过程进行到t=8秒(也称作BFP时间)时，分离过程如下在吸附器A中，只有阀15A是打开的。而在吸附器C中，只打开阀12C和13C。富O2气体经阀15A、控制阀17ABC和阀13C从吸附器A流到吸附器C，被泵组V10抽走。结果，吸附器A中的压力从吸附压力降低到较低的压力PDes-1(减压阶段)。在吸附器C中，抽真空步骤由此终止，吸附器C中的压力从最后压力PDes-min开始上升到较高的压力。
吸附器B开始进行空气分离(吸附阶段)，即，环境中的空气通过阀11B进入吸附器B，富氧产品气体通过阀14B离开该吸附器，并通过压缩机G10输送到产品储槽(未示出)。
在8-60秒循环期间内，分离过程如下在吸附器A中，关闭阀15A，只打开阀12A。在解吸阶段，借助于真空泵V10，部分抽空吸附器A，使其压力从PDes-1降至PDes-min。吸附器B处于吸附阶段，即，打开阀11B和15B。此时，借助于阀18ABC、16ABC和13C，将富氧气体通入吸附器C。在吸附器C中，只打开阀13C。测量富氧气体的通入量，使得在该过程结束时，吸附器C中的压力几乎达到吸附压力(压缩阶段)。
在下一个循环过程中，用吸附器C分离空气(吸附阶段)，在第三个循环中，用吸附器A分离空气，即在从0-8秒和从8-60秒的两个循环期间，重复相应的阶段。
用于评价下列实施例的参数是体积浓度为93％的氧气的产量，在泵组前方抽空压力随时间的变化，以及在300hPa时，泵组的泵出气体量和抽吸量。
最大吸附压力总是1100hPa，最小抽真空压力PDes-min总是300hPa。除这种类型的泵组以外，在抽真空开始时的压力PDes-1在第一次变化时初始压力为950hPa，作为比较还有800hPa。在泵组出口处的压力(P0为包括安装在泵组后面的消音器动压在内的环境压力)平均为1050hPa。
按照分离过程试验下列泵组的运行模式D)两级旋转活塞压缩机，试验中在300hPa时，泵流量大约为1000m3/h。
E)由一台离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的泵组，即两台压缩机总是串联在一起，试验中，在300hPa时，泵流量大约为1000m3/h。
F)由一台离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的泵组，其性能参数如图4所示，当泵组前的抽空压力高于650hPa时，离心压缩机和旋转活塞压缩机并联运行，当抽空压力低于650hPa时，离心压缩机和旋转活塞压缩机串联运行，即离心压缩机在吸入端和旋转活塞压缩机在压出端，在300hPa时，泵流量大约为1000m3/h。
图1是一级旋转活塞压缩机的特征曲线图。从该图可以看出，与1000hPa时的抽吸能力相比，在抽吸压力小于400hPa时，抽吸能力已明显地受到限制。
图2是两级旋转活塞压缩机的特征曲线图。串联连接的第二级压缩机处于环境压力下，根据两级比例，与第一级压缩机的抽入口相比，抽吸能力降低了40％。在1000hPa到200hPa之间，特征曲线的抽吸能力降低大约10％。
图3是泵组在离心压缩机的抽入端和旋转活塞压缩机的出口端(串联连接)的特征曲线。
与确定图3的特征曲线一样，用同样的泵组测量图4的特征曲线。然而，当吸入端的压力在650-1000hPa范围内，离心压缩机和旋转活塞压缩机并联进行抽吸，借助于节流部件将离心压缩机吸入口的压力调节到650hPa。在低于650hPa的压力范围内，使离心压缩机和旋转活塞压缩机串联连接，测量到的特征曲线如图3所示。
在生产过程的另一实施例中，在上述循环的“0-8秒”时间内，通过关闭阀12C达到抽空压力PDes-1，即，在吸附器A和吸附器C之间，进行压力补偿或部分压力补偿。在这段时间中，真空泵V10不对吸附器C进行抽空，而是“空载运行”。
另一实施例中，在上述循环的“0-8秒”时间内，通过只打开吸附器C中的阀12C，达到抽空压力PDes-1，这意味着吸附器C被抽空到其最终压力。而在吸附器B中，只打开阀11B，空气压缩机C10中的空气穿过该阀进入吸附器B。在吸附器A中，只打开阀14A，产品压缩机G10穿过该阀抽走富氧气体，在吸附器A中，压力降低到所需的抽空压力PDes-1。
另一实施例中，只打开吸附器C中的阀13C，由连接的真空泵组，按照上述“0-8秒”的循环时间期间，很快达到最佳抽空初始压力PDes-1。而在吸附器B中，只打开阀11B和14B，由空气压缩机C10将空气压入吸附器B，以产生富氧气体。在吸附器A中，打开阀12A和15A。通过阀15A、17ABC和13C，使吸附器A中产生的富氧气体进入吸附器C。借助于与阀12A相连的真空泵V10，将吸附器A中的压力较快地降低到希望的最佳初始压力PDes-1。
利用ASPEN TECH/Cambridge公司的“ADSIM”计算程序，计算当氧气浓缩装置的氧气生产量为5000Nm3/h，且氧气的体积浓度为93％时，利用上述三种泵组D)、E)、F)，在950hPa(=PDes-1)-300hPa(=PDes-min)及800-300hPa的两种真空范围内的抽空过程，得出氧气的回收率(产品中的氧气含量与大气中的氧气含量比)以及泵的尺寸。这里，可使用图2、3和4中的特征数据、泵流量和需要的能量，对其它泵的尺寸按比例进行推算。
图6显示的是在950hPa的初始压力PDes-1下，测量到的压力随时间变化曲线。根据该曲线，在抽空阶段，在较高压力下，抽吸能力低的泵组E)(离心压缩机与旋转活塞压缩机相串联)与泵组D)(两级旋转活塞压缩机)对比，在抽吸过程中产生的压力要高些。
在抽空阶段，在高压下，吸附能力较高的泵组F)(开始时离心压缩机与旋转活塞压缩机并联运行)与泵组D)(两级旋转活塞压缩机)对比，所产生的的压力要低些，这表明需要的能量很不合算。
图7显示的是在800hPa的初始压力PDes-1下，测量到的压力随时间变化曲线。其抽空过程的特征曲线不像图6所示的特征曲线那样互相差别那样大。
计算得的泵尺寸如下表1抽空压力950-300hPa
表2抽空压力800-300hPa
有时要求在抽真空压力600-700hPa范围内比较快地将离心压缩机/旋转活塞压缩机组成的泵系统从并联运行转换成串联运行，可按O2-VSA/PVSA装置的控制系统进行。也就是在达到预定的抽真空压力时，或按设定的抽真空时间值来进行转换。
如图1所示，一级旋转活塞压缩机的抽吸能力在400hPa时已明显降低。为了采用串联的离心压缩机/旋转活塞压缩机时在达到低于25％或者甚至低于15％环境压力的低真空压力下，而不使离心压缩机由于需要过高的压缩比而失效，建议在需要时用两级或多级(串联运行)旋转活塞压缩机运行。
当氧气产量为5000Nm3/h，氧气的体积浓度为93％时，从抽空过程和真空泵组D)、E)和F)的特征数据以及计算的泵尺寸，计算在950-300hPa和800-300hPa两个压力范围内，三个泵组D)、E)和F)的能量需求。这里，使用图2、3和4所示的轴功率特征数据，按比例换算成其它泵的尺寸。这里的能量需求是以氧气的产量为基础计算的。
确定下列的比轴功率是以运行效率为4％计算的表3
令人惊奇的是，需要能量最小的竟是始终串联运行(离心压缩机和旋转活塞压缩机)的泵组E)(见表3第2栏，800hPa初始压力)，尽管在最高压力下或者在开始抽空时的压力(例如800hPa)下，限制了泵的流量，该压力远远大于理论上合适的初始压力(PDes-0=P0/Π，大约等于1050/1.6+650hPa)，相对于泵组F)的初始并联运行压力和在650hPa的压力下开始串联运行的压力。
令人惊奇的是，即使在较高的初始压力(例如950hPa)(见表3，第一栏)下，使用泵组E)仍比使用两级旋转活塞压缩机(泵组D))更能节约能量。
因此，在采用由离心压缩机和旋转活塞压缩机组成的真空泵组的O2-VSA法中，远在达到最佳初始抽空压力PDes-0(对离心压缩机的最佳压缩比π，包括消音器动压在内的环境压力)之前，就要将离心压缩机与旋转活塞压缩机的连接重新调整成串联运行。
一般情况下，当环境压力为1000hPa，消音器的动压为50hPa，压缩比π为1.6时，串联运行的适宜初始压力(PDes-0)大约为650hPa。然而，在采用VSA工艺从空气中生产富氧气体的情况下，优选地在较高的压力下，用串联运行的离心压缩机/旋转活塞压缩机进行抽空。这意味着在远远高于上述最佳初始压力PDes-0的压力下，泵组可以从并联运行再调整成串联运行，或者，在抽空开始时就使用串联运行的泵组。
权利要求
1.一种利用吸附装置从空气中分离氧气或氮气的方法，该吸附装置包括一个或多个含有氮和氧吸附剂的吸附器，优选地是氮吸附剂，使用的真空泵组由离心压缩机和按正位移运行真空泵，特别是旋转活塞压缩机组成，在吸附阶段，空气在环境压力或者比环境压力小-0.1×105Pa，或者超过环境压力0.5×105Pa的压力下进入吸附器以及从吸附器的出口抽出富氧气体或富氮气体，在一定的吸附时间后，优选地在20-120秒后，在减压阶段，将吸附器中的压力降低到对应的环境压力PDes-1，或者低于环境压力的压力(至少小于0.6倍的环境压力)，然后，进入解吸阶段，在一定的解吸时间内，尤其是20-120秒，借助于真空泵组，解吸装有富氮或富氧吸附剂的吸附器，以便解吸所吸附的氮气或氧气，将压力从较高的压力PDes-1降低到较低的压力PDes-min，该压力最小相当于0.05倍的环境压力，然后进入压缩阶段，在压缩阶段中，将压力再次升至吸附阶段的压力，其特征在于在解吸阶段开始时，按需要前置节流并联或串联的真空泵组的离心压缩机和正位移真空泵，尤其是并联的真空泵组的离心压缩机和正位移真空泵，用上述真空泵组抽空吸附器，然后在更低的解吸压力下，使离心压缩机和正位移泵串联连接，用串联连接的真空泵组抽空吸附器，正位移泵与离心压缩机的压力端相连，并且，在离心压缩机和正位移泵以串联模式运行过程中，在压力端运行的正位移泵的调节或选定要使离心压缩机在抽空阶段达到平均最佳压缩比Π，当离心压缩机前的抽真空压力为PDes-0时，尤其是当抽真空压力PDes-0至少是正位移泵出口侧的压力为P0除以0.65*π得到的压力值时，泵组从并联运行再转换到串联运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在抽真空阶段开始时，离心压缩机和正位移泵以串联方式运行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从并联运行转换到串联运行时，压力PDes-0,min至少等于在正位移泵出口侧的压力P0除以1.15倍的离心压缩机压缩比Π的压力值。
4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，在给定初始抽真空压力PDes-1的情况下，在解吸阶段开始时，最小抽真空压力PDes-min在由下式确定的压力范围内PDes-min=P0/1030 hPa*(0.25*PDes-1-100hPa)以及PDes-min=P0/1030 hPa*(0.5*PDes-1)。
5.如权利要求1-4所述的方法，其特征在于，根据设定的时间值，借助于吸附装置的控制系统，控制泵组从并联运行到串联运行的转换。
6.如权利要求1-4所述的方法，其特征在于，根据设定的压力值，借助于吸附装置的控制系统，控制泵组从并联运行到串联运行的转换。
7.如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，在小于0.25倍环境压力的抽真空压力下，根据正位移原理运行的串联真空泵由两个或三个顺次相连接的正位移泵组成。
8.如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，三个吸附器(A)、(B)、(C)中的一到三个吸附器，优选地是两个或三个吸附器，在连续的吸附、减压、解吸和压缩阶段按循环交换运行。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附阶段的末端，待被抽空的吸附器(A)的出口与处于抽空阶段的吸附器(B)的出口相连接，通过与吸附器(B)的入口相连接的真空泵组，将吸附器(A)抽真空直至压力达到最大为PDes-0,min。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附阶段的末端，待被抽空的吸附器(A)的出口与已被抽空的吸附器(B)的出口或入口相连接，通过吸附器(B)的压力补偿或部分压力补偿，将吸附器(A)减压达到压力最大为PDes-0,min。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附阶段的末端，或在减压至环境压力的减压阶段的末端，使待抽空的吸附器(A)的出口与产品压缩机相连接，此时关闭吸附器(A)的入口，使吸附器(A)中的压力降低到环境压力以下，直至达到最大为PDes-0,min。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在吸附阶段的末端，或在减压至环境压力的减压阶段的末端，在吸附器(A)的入口借助于泵组将吸附器(A)抽真空，同时，其出口与已经抽空的吸附器(B)的出口相连接，由此对吸附器(B)进行加压。
全文摘要
本发明涉及一种改进的,按照真空变换吸附(VSA)或压力真空变换吸附(PVSA)原理,从空气中分离氧气或氮气的方法,使用的真空泵组以最佳效率解吸所吸附的空气组分。该泵组包括一台离心压缩机和一台根据位移原理运行的真空泵,特别是旋转活塞压缩机。
文档编号B01D53/047GK1225036SQ97196242
公开日1999年8月4日 申请日期1997年7月1日 优先权日1997年7月1日
发明者G·雷斯, H·阿姆林格 申请人:拜尔公司, Sgi处理技术股份有限公司