专利名称：真空变压吸附系统和方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及从气体混合物中分离各气体组分的真空变压吸附(VPSA)系统和方法。更具体地说，本发明涉及利用低价的压缩机零件，采用相对较高的解吸压力(底压)、采用低的吸附解吸压力比和更简单更快的工艺循环，从空气中分离氧气的双床VPSA系统和方法。本发明的技术背景较纯的氧气(即氧含量为88％或以上的含氧气体)以不同的压力和纯度具有许多所希望的工业和医药应用。通常包含约21％的氧气的地球上的大气是用作经济氧气源的天然的候选者。因此，许多实施和经济的氧气生产装置都采用空气分离系统和方法。
以较大规模体积生产氧的较通用的系统之一是综合的低温工艺，从空气混合物中液化和分离所希望的预定纯度的氧气组分。虽然这种设计工作对高体积的氧气生产(300吨/日以上)和/或很高纯度氧气(如97-99.99％)进行很好，但是专门研究的低温硬件和与高投资相关的前期工作的经费，使得这类系统用于低到中等体积如约30-约200吨/目的含氧气体和氧浓度为高于88％和高达95％的含氧气体生产时，价格高得惊人。
为以中等规模的量和较低纯度(通常25-40％)生产氧气，一种实际而又非常有利的空气分离系统是利用一种聚合物膜。该膜对氧气有较高的选择性和高的氮气通量。压缩空气加到膜，所希望的氧气组分以较中等纯度保留，而其余的(不希望的)组分作为废气通过。通过两级或以上的连续的膜分离级可以提高保留的氧量。作为多级膜工艺和低温工艺的可供选择方法，本领域内的技术人员已开发出了利用分子筛吸附剂，以高纯度通常为88-93％和高达约95％有效地生产氧气的空气分离系统。在变压吸附(PSA)和真空变压吸附系统(VPSA)中使用，吸附剂一般作用于空气中各个组分(N2和O2)之间的四极矩，实现组分的分离。
最早的PSA是由Skarstrom研究的美国专利2,944,627号，该PSA的一个循环由四个步骤组成(1)吸附，(2)解吸，(3)吹洗，和(4)再加压。Skarstrom循环包括几种变形。在Wagner的美国专利3,430,418号中描述了一种这样的系统，其中为连续地生产产品，要求至少四个吸附床。提供四个吸附床而不是较小数目(优选两个吸附床)的吸附床增加了成本和复杂性，使得Wagner系统在经济上是不能实行的。
在美国专利3,636,679号中，Batta公开了一种系统，在该系统中，压缩空气和产品氧气(从进行均压降压步骤的另一吸附床得到)同时引入同一吸附床的相对两端。McCombs在美国专利3738,087号中描述了通过使用两床系统实现进一步节省设备费用的另一方法，在该方法中采用把原料空气引入部分再加压的吸附床提高吸附步骤的压力。McCombs,Eteve等继续研究，在美国专利5,223,004号中公开了利用下述步骤的PSA法(1)逆流产品气加压从循环的低压开始到一中间压力，(2)原料气并流加压从中间压力升到吸附压力，而不放出，(3)生产步骤，在该步骤中空气进气，和氧气并流地放出，(4)通过并流地部分减压氧气被放出的步骤，在该步骤中空气进气停止，和(5)逆流地减压降低到循环的低压的解吸步骤。
在文献中可发现最早PSA循环的更多变体。例如，美国专利4,194,891号、4,194,892号和5,122,164号都描述了利用短循环时间的PSA循环，在这些PSA法中使用更小粒径的吸附剂，降低扩散阻力；Poshi等的美国专利4,340,398号公开了使用三个或以上吸附床的PSA法，在该PSA法中在吸附床再生前，空隙空气转移到一个罐中，后来用于再加压。此外，在美国专利3,788,036号和3,142,547号中公开了引入平衡罐的改进的两吸附床PSA法，在该方法中用保存气作其它吸附床的吹洗气。
近来，Tagawa等的美国专利4,781,735号公开了利用三个吸附床生产氧气的PSA法，通过把一个吸附床的加料端与另一个吸附床的加料端相连接(底底平衡)，和对于全部或部分的平衡时间，与底底平衡同时进行的顶顶床平衡来实现提高氧气的回收率。此外，Kumar等的美国专利5,328,503号公开了使用初始的减压步骤提供吹洗气，随后可进行床-床加压平衡步骤的PSA法。按照这篇专利提供的PSA法，采用至少两个吸附剂床，使用产品气和原料气相结合进行吸附床的再加压。
Liow和Kenny(AICHE J.vol.36,P.53,1990)公开了通过计算机模拟从空气生产氧气的“反充循环”。他们公开了在生产富氧气产品的循环中，包括逆流的(相对于加料方向)产品气再加压步骤是有利的。
在Baksh等的美国专利5,518,526号中，公开了从气体混合物如空气中分离第一种气体如含氧气体的改进的PSA法。该方法包括PSA床的同时的均压和抽空，随后的同时进行原料气和产品气再加压的步骤。其结果是总的循环更快更有效，100％利用真空式吸送器(或降低压力)和节能在前述已知方法的约15％以上。更具体地说，Baksh等的方法包括PSA循环的各个步骤交接，减少总循环时间，因此提高了生产率。其它的重要工艺参数包括操作条件(高压值，低压值，均压降压步骤的终止压力和用于产品气再加压步骤的高纯产品气的量)的选择、每个步骤的时间分配、循环中每个步骤的执行次序和使用均压降压气提供回流和均压升压所需的气体。该循环包括进行均压升压步骤的一个床(“第一床”)的抽空步骤，而另一个床(“第二个床”)同时进行均压降压步骤。必须选择这个步骤的时间分配，因此在这个步骤结束时，第一床已经吹洗，并且也已部分加压。该循环中的下一个步骤是在第一床的相对两端，同时进行产品气和原料气的加压，接着原料气加压到所要求的吸附压力。Baksh等的方法的其它特征如下(a)在原料气和产品气同时加压的步骤中，所要求的产品气通常来自产品气罐或生产步骤中的其它床；和(b)并流减压或均压降压气去另一床的下流端，或到第二贮罐。在后面的情况下，不需要床-床联通，这进一步增加了控制PSA方法的灵活性。
1996年3月7日提交的共同转让的申请号为08/611942的共同未决美国专利申请描述了与Baksh等相似的VPSA法，该方法也包括(a)增加逆流减压到低压(解吸压力)的步骤，在该步骤期间，富集的氮气从加料端(废气)和产品气端(通常再加压另一床)排出，该步骤插入(ⅰ)并流减压到中等降压压力(收集用于另一床的均压气)和(ⅱ)随后的逆流减压和抽空氮之间；和(b)增加从加料端排出较富氮气，而在(ⅱ)之后和在从加料端排气完成之前，同时用氧气吹洗。
尽管在本技术领域取得了这种所希望的进展，但是PSA/VPSA法仍保持低于所希望的效率和更高的投资费用，特别是在大的装置中生产高纯氧(约88-约95％)时，特别是在与低温蒸馏相比较时更是如此。所以在本技术领域内，要求再进一步改进PSA/VPSA法，这种非常希望的PSA/VPSA法在工业装置中使用效率高，所以更经济。
大工业规模操作的现代传统的VPSA系统一般包括把空气混合物加到包含分子筛吸附剂的吸附剂“床”的原料气压缩机。该吸附剂床在预定的吸附压力(高压)下从空气混合物中选择性地吸附氮气。作为混合物的不易吸附的组分氧气从吸附床通过并作为产品气流从吸附床排出。一旦氮气被吸附剂床的表面吸附，与吸附床相连接的真空系统就把压力降低到低的压力(解吸压力)，使吸附的气体(富氮气)解吸，并作为废气(或副产品气)从系统排出。设置于床的管件的吹洗机构与真空系统合作吹洗系统中残留的氮气。氧气通常用作吹洗气。
比较有效的传统工业规模的VPSA系统有两个或两个以上的吸附剂床，而与此有关的分离方法包括在较低压力比(吸附压力/解吸压力)一般为约4∶1-5∶1和低压(解吸压力)为0.25-0.33大气压或更低的压力下操作。在VPSA系统中也已经报道以更低的压力比如2∶1或3∶1生产含90％氧或更高的氧的富氧气体，例如Leavitt的美国专利5,074,892号就进行过报道。在这样低的压力比的操作条件下所使用的系统的结构包括通用的原料气压缩机、多级真空泵和一对如上述一般所述的传统的吸附剂床。Leavitt专利肯定床尺寸因子，即有效分离所需要的吸附剂量，将随压力比的降低而增加(虽然增加得比根据本领域现状所预料的要少)。Leavitt没有建议提出床尺寸因子增加的任何方法，也没有提出进一步降低运行费用的其它方法。
因此，现有技术(专利/科技文献和工业实践)都未能实现单独的低压力比，或优选与某些方法的改进一起将允许使用简单和更经济的设备，且更一般地产生总的费用节省在单独的用低压比实现这些之内和之上的结果。一般来说，由于传统的VPSA低压比系统有两个在较深的真空下(甚至当压力比较低时)操作的吸附剂床，所以耗能的多级真空泵(包括两真空级或两真空级以上)一般是需要的或认为是要求的。这些泵通常包括按串联关系配置的两真空级，彼此按级间连接定位。级间连接一般包括在空转或没负荷运行期间，把各级的吸入气排放到大气的级间旁通的无负荷系统。该旁通系统又包括附加的阀和实现排气的管件系统。因此，多级真空装置比单级真空装置复杂得多，操作费用更贵。
为了实现所希望高的氧气回收率(通常在40％-约70％范围内)，传统的两床VPSA系统也以更长的循环时间(对良好运行(well-run)、现代的、传统的两床系统来说，从40-50秒的最低值至60-90秒)操作。这反过来不仅增加了需要的吸附剂量，而且也增加了整个系统的排量，影响生产每单位产品的能耗。虽然可以稍微减少循环时间，但是这样获得的利益受限于在吸附器中更高的气速所产生的值得注意的结果(甚至这种获得的好处被排除)。更高的气速使穿过吸附床的压力降增加，使方法的效率更低。更高的气速也使吸附剂“升起”，产生磨擦，是总费用其它的不利提供者。这些影响都提高了费用，首先违反了使用更快工艺循环的目的。特别是关于生产高纯度氧和90-95％纯度氧的日产量为30-200吨/日的两床VPSA系统在工艺效率和进一步降低投资和/或运行费用方面仍有改进的余地。应当指出，即使总的费用(运行费用和投资费用的现在值)节省1-2％在高度竞争的空气分离工业也是相当重要的。
所以，必须有一种VPSA空气分离系统和方法来实现低的压力比和避免使用昂贵的真空设备。但是需要有更低的运行费用，而仍然得到了有吸引力的氧回收率(例如50-60％，与60-70％相对比，与传统的两床系统相比，表示低了5-10回收率的百分点)，经济地生产含氧气体。本发明的VPSA法满足了这些需要。本发明通过单独或组合的方式执行各种各样的新方法和设备的特征，从而实现了更低的投资费用。本发明的概述本发明的VPSA系统和方法，通过实行低能耗零件和改进的操作程序，以所要求的含氧产品气的纯度和体积经济地实现空气的有效分离。
为了认识上述的利益和优点，本发明的一个方面包括用于分离流体混合物各组分的VPSA系统。所述的系统包括把混合物引入系统并建立吸附压力的流体源。执行收集从混合物中分离出的流体产品气，即富集的混合物第一组分的输送设备。该系统还包括两个吸附容器，每一个吸附容器包含吸附剂床，每个吸附容器设置在流体源的下游和输送设备的上游，在吸附压力下从混合物中选择性地吸附第二组分，并使混合物的剩余部分通过，作为分离的流体产品(在空气分离中是氧气)到达输送设备。混合物参照上述吸附容器的方向优选径向向内方向流过吸附剂床。
与两个吸附剂床的每一个连接的单级真空装置产生真空，提供每个床的解吸压力为0.3-1.0大气压，优选为0.4-0.55大气压(浅的真空)，随后该吸附床选择性的吸附预定的组分。解吸压力与吸附压力的压力比关系一般为2.5-4.0，优选在2.75和3之间。每个吸附床对解吸压力起反应，解吸第二组分(在空气分离中是氮气)然后从系统中排放。
本发明人已经进一步发现，由于更多的提高解吸压力的结果，不仅可能使用单级真空装置，而且使真空装置的操作更精确有效，因为有更高的解吸压力。由于泵的排量保持恒定，所以更高的解吸压力提高了真空泵的入口平均压力，但是在更高的解吸压力下更大量的气体可以填充同一体积。
由于更高解吸压力的结果，VPSA法以低压力比(即高吸附压力与低解吸压力的比)为2.5-4.0，优选为2.5-3.0，而更优选为2.75和3之间进行。
这种更低的压力比可预期地会产生稍微更低的产量气的回收率(通常不大于5-10个百分点)(一般产品气中纯O2的百分率除以原料气中纯氧的百分率计算)，这就意味着加料端含的氧气比废气中含的氧气高很多。这种不良的影响可能认为是由于降低了系统的有效生产能力，或是由于提高了比能量要求(例如，每日生产每吨产品氧气消耗的能量)。为保持相同纯度的每日相同的O2产量(即相同的生产能力)，这就必须处理更多的空气。
但是，有效生产能力的这种减少比通过大量的气流通过系统进一步提高单级泵的效率得到的补偿要多。废气泵吸入压力的前述增加就降低了通过真空泵的压力降(DpVP)，这又降低了除去每摩尔废气的压头和比功。因为真空泵是操作费用的主要提供者，所以实现了显著的净费用节省。
为了适应更高的空气生产量，本发明的系统采用(ⅰ)径向流吸附剂和/或容器，和(ⅱ)更短的循环时间。这允许该方法通过更高的解吸压力保持节省费用而不使用使这种优点减至最小或排除的更大的吸附器。
在循环中至少两个步骤(或步骤的一部分，有时叫做子步骤)的减少循环时间。这种节省费用允许每天生产相同量的氧气，而不过度地增加吸附容器和设备的尺寸，或在循环的某些部分中不适当地提高通过系统的气速。通过适当的选择吸附床容器(优选径向流容器)气速甚至可以保持更低。
本发明的其它特征和优点从下面的详细描述和阅读附图时将会更清楚。而且，本发明的应用性可延伸到含至少一种可选择性吸附在吸附剂材料的任何流体混合物，不限于空气分离。
附图的简要说明
图1是本发明一个实施方案的两床真空变压吸附系统的示意图；图2-13是依次地说明本发明一个实施方案的VPSA法的方框图；图14是VPSA压力比与氧气回收率之间关系图示的描述；和图15是传统的VPSA系统与本发明系统单位能耗之间关系的图示的描述。发明的详细描述VPSA系统对从空气中分离氧气提供了新颖而具较高费用竞争性的方法。该系统一般依靠在特定的吸附压力从空气中吸附氮气和在特定低的解吸压力从吸附床解吸氮气的分子筛吸附剂。通过在特定的解吸压力执行定时的工艺步骤实现有效的循环，VPSA系统可以在接近渗透膜系统效率下操作。
该系统的PSA方法和设备可以使用任何类型的平衡选择性吸附材料，这些材料包括但不限于A-沸石、X-沸石、Y-沸石、菱沸石、丝光沸石和它们的各种离子交换的形态，以及SiO2-Al2O3、Al2O3、SiO2、硅酸钛、磷酸盐和它们的混合物。可优选的吸附剂包括高度交换的钢沸石X，骨架结构的SiO2/Al2O3比值为2.0与2.5之间，它们的AlO2四面体单元至少有88％，优选至少95％与锂阳离子连接。在前述中优选SiO2/Al2O3比值尽可能选择为2.0和尽可能高的锂交换。
现在参考图1，本发明的一个实施方案的VPSA系统通常用标号20表示，包括气源22、吸附床装置40和单级真空装置50，以较低的压力比和高的低压从空气中有效地生产氧气。气源22包括鲁特型单级原料压缩机，它有吸入空气的入口24和通过排放岐管26直接把压缩空气流输送到各自平行的入口管28和30。在各自管线顶部的各自的第一和第二压力控制阀32和34设置各自管线顶部管件，以选择地加压吸附床装置40的各自部分。排气阀36连接到岐管26的中间部分，选择性的旁通离开吸附床装置的空气流。阀门通过控制器(没示出)按照相应于本发明方法下述的工艺步骤的定时，依次操作。
进一步参考图1，吸附剂床单元40包括一两吸附床系统，床A和B有各自的底部42和44，交替平行排列地配置各自第一和第二加压控制阀32和34的下游。各自的顶部43和45提供包括单个产品气缓冲罐66的连接产品气输送机构60的适宜的界面。
每个吸附剂床装入一容器，优选径向流型的容器中。径向流容器是已知的，并包括气流总的不对称截面的扩大加料端。径向流容器适应大的气流范围，在气体流动方向上穿过床只产生低压降(Dp)。径向流容器也提供通过床形成更均匀的流体分布，且一般提供限制的吸附床和扩大的入口面积。这些容器的使用公开在共同未决、共同转让的美国专利申请08/681550号中，该专利申请全文引入本中请供参考。
真空装置50包括与真空岐管56相连接的各自的第一和第二减压控制阀52和54。这些阀按平行相对的关系与第一和第二压力控制阀32和34设置管件。与加压阀相似、减压阀和排气阀也通过控制器(没示出)依次控制。按照本发明的下述方法，在预定的循环步骤中，岐管端接在低能单级鲁特型真空泵58，以抽空各自的床A和B。由于在VPSA操作循环中使用较高的解吸压力(浅真空)因此使用能量转换的单级真空泵是可能的。
继续参考图1，产品输送机构60包括设置在床A和B各自的顶部43和45的顶端的各自的第一和第二产品气出口阀62和64，把来自每个床的产品气流(氧气)直接输送到吹洗另一个床、在另一个床中进行均压、或流入缓冲罐66贮存。设置在缓冲罐和出口阀之间的隔离阀68与出口阀合作，按照控制器的程序指令完成吹洗和/或均压步骤。
现在参考图2-13，按照本发明的一个实施方案的VPSA系统20的操作，按照本发明的方法包括高流率把空气混合物加入吸附装置从空气混合物中选择性吸附第一组分(氮气)，不吸附组分(氧气或更精确地说是含氧气体)作为产品气通过床，和吸附装置减压从床中解吸第一组分的步骤。十分清楚，VPSA系统循环操作，床A和B之一进行交接循环，在一段时间内进行相同的一组步骤，与另一个床相对比的循环内，一个床进行相反的步骤。为简化起见，下面只描一个床如床A完成的详细的循环。
现在参考图1和2,VPSA系统的操作一开始包括原料空气吸附/氧气平衡加压的交接步骤，这起动了原料空气加压吸附的周期。打开第一压力控制阀32和关闭第二压力控制阀34，鲁特型压缩机22把空气在100处加入吸附床A的底部，在该步骤的持续期间内压力迅速升高。来自床B的均压氧气，通过出口阀62和64的通道并关闭隔离阀68，在102处同时加入床A的顶部43。
参考图3，循环继续进行，原料气吸附/产品氧气加压的交接步骤使原料空气加压的吸附周期继续。空气由鲁特压缩机在104处继续加入吸附床的底部。另外，打开隔离阀68和第一出口阀62，从缓冲罐到再加压床，在106处把O2加入床A的顶部43。因此，在该步骤期间，压力继续升高。
现在参考图4，继续氧气再加压步骤，原料空气在108处从鲁特压缩机22进一步加入床A的底部42，不从顶部43添加或排除任何氧气(仍然没有产品气生成)。压力再次升高。值得注意地是，在氧气回流存在的情况下，与早期的步骤相比，压力升高的速率在这个步骤中较慢。
图5和6描述了接着的两个循环步骤，它包括恒定压力的原料气和产品气的产生及回流操作。如图5所示，原料空气在110处继续加入吸附器的底部42，而氧气产品在112处从顶部43排除。在这些步骤期间，压力相对保持不变。打开隔离阀68和各自的出口阀62和64，氧气产品在114处从床A输送到(ⅰ)氧气缓冲罐66，和(ⅱ)在116处作为氧气吹洗气输送到床B的顶部45。
在产品气的生产循环步骤中，氧气产品的纯度基本上保持恒定。这是因为在114处(图5)的氧气生产步骤前，在106处(图3)的氧气再加压步骤把高纯度的氧气加入床A的顶部42，排除了在操作开始时任何氧气纯度的高峰值的缘故。产品气的生产步骤在118处(图6)继续进行，在氮气的吸附带前缘实际地穿透床的顶部前，终止产品气生产步骤。现在参考图7，循环继续进行，在床A顶部42处的降压均压步骤中的残留压力和氧气产品被排除并在120处加入床B的顶部42。从该床的底部没有物流排除。容器压力进一步降低。如果产品气的纯度定为90％，那么在项部处氮气吸附带前缘穿透时，在这个步骤结束时氧气浓度下降到约60-80％，一般为70％氧气。通过打开排气阀36，鲁特型原料空气压缩机排气。
在120和122处(图7)的降压均压步骤后面有如图8所描述的降压排空和交接的均压步骤。本申请所使用的“交接”的意思是另一操作的全部或部分同时进行。打开各自的第一和第二减压阀52和54，通过单级鲁特型真空泵58，在124处从吸附器底部解吸并排除废氮气。在这个步骤期间，压力下降。氮气废气的氧气浓度开始在为约空气的纯度，并迅速地降落到最小废气纯度为约2-10％。接着前述步骤，在126处氧气的均压物流继续从床A的顶部43排除，并输送到床B的顶部45。
如图9-11所示，循环继续，连续的降压排空步骤中，废气氮气通过单级鲁特型真空泵58在128处从床A的底部42进一步排除。在这个步骤中压力下降。没有气体从吸附器的顶部流入或排出。
现在参考图12，降压抽空步骤后面有恒压排空和氧气吹洗步骤。循环在此时，由于A床在130处继续排空，已经达到最小的排空压力，并自在132处从B床把氧气吹洗气加入A床的顶部43。在这个步骤期间，由于吹洗气流与排空气流的配合，所以压力保持恒定。此外，废气流的氧含保持较稳定。
现在参考图13，在升压排空和均压的交接步骤中，循环达到极点，单级鲁特型真空泵在134处从床A的底部42继续除去废气，而氧气均压气在136处从床B加入吸附器顶部45。在这个步骤中，由于氧气均压气流的结果，压力上升，在此期间高于排空气流的压力。在这个步骤结束时，由于氧气(纯的)的吸附带前缘在吸附器的底部开始穿透，因此废气流中的氧气浓度开始稍微升高。
下面的表1不仅表示上述每一步骤的实际步骤时间和本发明所希望方案中所采用的实际步骤时间，而且是每一工艺步骤开始和结束的平均压力，上面提供的是概括情况。在高吸附压力和低解吸压力之间的中间压力值本文中有时指较低(或较高)的中间升压(或降压)压力。
表1包含的值代表两床的VPSA系统，生产能力为30-200吨/日，采用高锂交换的沸石X吸附剂，所生产的含氧气体含88-95％O2，且达到了介于50和70％之间的氧气回收率。所采用的循环被称为产品气加压与吹洗和交接均压。
表1步骤描述 步骤时间 开始压力终止压力步骤#1(图2)原料气升压与均压交接2.0 8.85 13.8步骤#2(图3)原料气升压与产品气加压交接3.0 13.8 18.2步骤#3(图4)原料气升压 3.0 18.2 20.8步骤#4(图5)原料气恒压与产品气生产 1.0 20.8 20.8步骤#5(图6)原料气恒压与产品气生产/吹洗 2.5 20.8 20.9步骤#6(图7)降压均压1.5 20.9 17.7********1/2循环********步骤#7(图8)降压排空与均压交接 2.0 17.7 12.3步骤#8＆#9&#10(图8-10)降压排空7.0 12.3 7.45步骤#11(图11)恒压排空与O2吹洗 2.57.457.45步骤#12(图12)升压排空与均压交接 1.57.458.85表中的压力是在吸附器顶部处测量，且为两床的平均值。
本领域内的技术人员将认识到，本发明的VPSA系统和方法在2.5-4.0，或优选2.5-3.0和更优选2.75-3.0的较低的操作压力比范围内操作，产生了从处理空气获得较低的氧气回收率的结果。图14图示地描述了较低的压力比对氧气回收率预期和(定性地)观测的影响。应当指出，解吸压力值是重要的，因为高解吸压力通过使用本发明的单级真空泵可能降低有关的设备(更简单)和操作(更有效)费用。由于高解吸压力的结果，压力比将降低到传统实践中(两床轴向流VPSA，使用多级真空泵生产相同量和相同纯度的O2，在最佳的装置能量费用时，达到了最佳的O2收率值为，60-70％)被认为是亚最佳的值。
这种更低氧气回收率的传统预期结果将降低装置的生产能力和提高比能量或能耗。但是，与这种预期相反，本发明人已经发现未预见到的优点，虽然氧气回收率的确稍微降低(与传统的氧气回收率相比，降低约5-10个百分点)，但是由于真空泵的质量流量大大增加而不增加在汽缸中的排量就可使废气真空泵的平均吸入压力实质性地提高。真空泵的更高吸入压力也相当于通过真空泵的压力差的减少，这就降低了除去每摩尔废气的压头和比功。这些影响比降低氧气回收率的经济利益更大。实际上，如果能量需求减至最小的话(通过使用分析的方法如图14和15所示)，那么平均能耗和真空泵的生产力都可以减少。
如图15所示，本发明的系统和方法实现的循环装置能耗比传统的压力比循环要低。受试设备和吸附剂的最低能耗在解吸压力在0.4-0.55大气压范围内，吸附压力在1-2大气压范围内，优选1.3-1.6大气压范围内，产生的压力比为约2.75-3.0范围内时得到了实现。
如前所述，节约费用可提供低单位能，但是由于更低的产品气回收率产生的其它问题使节约费用发生了问题(或丧失)，这些问题是如果轻视更低回收率，那么产品气纯度和产量就持久相同，更大量的气体必须通过系统(的确，这通常是氧气需求和氧气纯度恒定的工业应用中的情况)。这可通过增加VPSA系统的尺寸(这将增加投资费用，因此失去节约费用的目的)，或通过减少循环时间来进行。确实，本发明人减少了循环使用真空泵的那些步骤或子步骤的持续时间，(当真空泵处理废气时，需要抽空床A或B)。上表的术语中，是步骤4、5和6及步骤8-12。十分清楚，通过减少两床系统的至少两个前述步骤的时间，可以实现循环时间的减少。在循环的加压部分期间，如果减少一个步骤的持续时间，那么在减压过程中相应的步骤也必须减少持续时间(例如步骤5和11)。
如在
背景技术：
中所解释的那样，循环时间的有限减少只在不引起附加的影响，即提高吸附剂床的压力降，增加吸附剂的磨损和通过吸附床产生不均分布的气流时可以实现，否则只有再增加吸附床的尺寸。就这些出现的方面来说，他们提议通过使用允许低气速的吸附床和吸附容器，例如按Ergun相互关系低于流化速度操作径向流吸附容器。此外，吸附剂床可以限制。总之，本发明包括，如果使用单级真空泵，优选与径向流吸附床容器相组合，即使氧气的回收率将降低，但是解吸压力仍可相当大的提高。然后，该方法可以在相同的氧气产量和纯度，但是使用两级真空泵和轴向流吸附容器的传统的两床系统最佳化更低的操作费用和相同或更低的投资费用下按相同的产品气产量和纯度最佳化。再次指出，与前述的传统的两床系统相比本发明可能得到较低的氧气回收率(不高于5-10个百分点或更低)。但是，本发明的VPSA系统不必求助于更大的吸附容器，(如果需要)可以使用和传统系统的轴向床相同量(或更少)的吸附剂的径向流吸附容器代替，这是为了进行比较的。
上述系统和方法的几种改进是可预见的，这仍然基本维持本发明所希望费用的优点。例如，表1的循环可以改成没有O2吹洗步骤的操作，有效地排除图6和12的操作。这样的一种改进将会适当的降低效率和产生相应的适当的总费用(操作费用和投资费用的和)。因此，优选使用O2吹洗步骤。但是，如果省略O2吹洗，方法的费用仍然低于按传统压力比操作，或采用多级压缩机或轴向流吸附容器或它们的任意组合的相同方法(没有O2吹洗)的。
生产O2的另一种供选择的方法，是在原料气升压和吸附步骤期间，与图4和6所示的步骤有效地组合在一起。这种方案排除了预先考虑到引起装置投资费用适当的增加，这是由于为了以相同纯度相同的O2的日产量生产，系统必将处理更多的空气。
本发明进一步可能的改进包括排除在图2和7中示出的原料气均压的交接步骤。这样会减少鲁特型压缩机的负载时间，而仍然允许完成吸附容器的压力平衡。为了实现这一改进，图7和13描述的步骤持续时间将必须增加。这种改进将适当增加装置的投资费用。
本领域内的技术人员将估计到，本发明的方法提供许多好处和优点，总体来说，有助于降低VPSA法中所使用的能量，而不增加投资费用。通过降低能耗，执行低能的硬件和有效的操作步骤，通过提高效率，重要的操作费用将减至最少。但是与现有技术的方法不同，这些节约费用不会被更高的操作费用所抵消。
在所有的VPSA系统中能耗的主要来源之一是真空泵。由于利用较高的低压执行循环，单级真空泵就可以使用，而不是传统地利用两级真空泵。由于高的低压显著地降低了VPSA系统的能耗，所以真空装置的一级排除了。
但是，虽然使用较低压力比通常会降低VPSA系统的氧气回收率，但是通过增加压缩机的加入物料流量和执行限制吸附剂床，如径向流容器降低入口的加料速度，就可以完全排除低压比的不利影响。优选的供选择特征包括除了单级真空泵外，使用单级压缩机。
最后，本发明可以使用不冷却的真空泵如RAS-J Whispair，购自Dresser Industries,Connorville,IN。术语“不冷却真空泵”，我们意指真空泵既不用外面的装置冷却，也不能用外面装置冷却。这是因为更高的解吸压力，和解吸所要求的时间相结合，不会产生泵热到它的温度容限被破坏的那一点。
虽然本发明参考本发明的优选方案进行具体地显示和描述，本领域技术人员十分清楚，本发明在形式上，和细节方面可以进行各种各样的改进，都不离开本发明的范围和精神。
Baksh等的美国专利5,518,526号和LaSala的美国专利5,370,728号和Applns的美国专利申请号08/611942和08/681550号的全部内容引入本申请供参考，但是发生矛盾时，以本发明公开的内容为准。
权利要求
1．一种真空变压吸附系统，该系统用于分离流体混合物诸组分和产生富集所述混合物第一组分的流体产品，而且是按预定的纯度和生产率生产的，所述的系统包括(a)把所述混合物引入到所述系统并建立吸附压力的流体源；(b)收集从所述混合物分离的流体产品的输送装置；(c)两个吸附容器，每个包括吸附床，所述的每个床按平行交接关系设置在所述流体源的下游和上述输送装置的上游，在上述的吸附压力下选择性的吸附所述混合物中的第二组分，且使所述混合物中的剩余组分作为所述流体产品通过所述输送装置；和(d)一单级真空装置，它连接上述每一个吸附床用于产生为0.3-1.0大气压范围内的解吸压力，和接着解吸吸附在所述床上的第二组分，所述的解吸压力与所述吸附压力的压力比关系为2.5-4.0的范围，上述的每个床对所述的解吸压力作出反应，解吸所述的第二组分，并从系统中释出所述的组分。
2．权利要求1的真空变压吸附系统，其中所述流体源包括单级鲁特型空气压缩机。
3．权利要求1的真空变压吸附系统，其中所述混合物包括空气，所述产品包括纯度为88-95％的氧气。
4．权利要求1的真空变压吸附系统，其中所述的每一个吸附床容器包括至少一个径向流吸附床。
5．权利要求1的真空变压吸附系统，其中所述真空装置包括单级鲁特型真空泵。
6．权利要求2或5的真空变压吸附系统，其中所述压缩机不用外面装置冷却。
7．两床真空变压吸附方法，以把流体混合物分离成各自的第一和第二组分，按给定生产率和纯度生产富集所述第一组分的产品，该方法包括如下步骤(a)把所述混合物加入到所述吸附床，所述床是径向流床，在一流率下加压所述床达预定高的吸附压力，所述一个床在预定吸附压力下选择性地吸附第二组分；(b)用所述吸附床从所述混合物吸附所述第二组分；(c)所述的不被吸附的第一组分作为产品物流通过所述系统；(d)所述吸附床减压到解吸压力，以从所述床解吸所述第一组分；(e)改进之处包括如下步骤(ⅰ)通过使用单级真空泵装置，实现解吸压力为0.4-1.0大气压范围内，从而提供吸附压力与解吸压力比为2.5-4.0范围，和这造成所述第一组分的回收率比包括多级真空装置和两个轴向流床的两床真空变压吸附系统达到的回收率低5-10个百分点；但可按最佳的装置能耗操作，以生产相同产品产量和纯度的产品；和(ⅱ)减少所述步骤(a)-(d)中的两个步骤的至少部分持续时间，从而保持上述产品的产量和纯度，尽管回收率有所降低，同时达到与所述系统相比降低了费用。
8．权利要求7的真空变压吸附方法，其中进一步的改进包括加料步骤，所述加料步骤包括在约2秒钟内，逐渐地把所述吸附床从约8.85 PSIA加压到约13.8 PSIA；在所述吸附床内在约3秒内从约13.8 PSIA升压到18.2PSIA；和在所述的吸附床内在约3秒内从18.2 PSIA增压到约20.8PSIA，接着终止所述升压步骤。
9．权利要求8的真空变压吸附方法，其中所述加料步骤进一步包括用气体均压上述吸附床的步骤，均压步骤与所述加压步骤交接。
10．权利要求8的真空变压吸附法，其中吸附步骤包括在预定的期间内，保持所述吸附床的压力相对稳定。
全文摘要
一种从流体混合物中分离一种组分的真空变压吸附(VPSA)系统和方法,包括把混合物加入系统的流释源和收集分离组分的输送装置。一对吸附床容器置于流体源和输送装置之间,在各自的吸附和解吸压力下,吸附和解吸预定的组分,其特征是低的压力比和较高的解吸压力。通过使用高解吸压力,就可以使用单级真空泵装置,其结果进一步降低设备费用和操作费用。
文档编号B01D53/04GK1216719SQ9812373
公开日1999年5月19日 申请日期1998年11月3日 优先权日1997年11月4日
发明者J·斯莫拉雷克, J·H·法斯鲍, H·R·肖布, M·K·罗甘 申请人:普拉塞尔技术有限公司