专利名称：从空气中富集氧气的方法
技术领域：
本发明涉及一种从空气中富集氧气的方法。
背景技术：
随着现代工业的快速发展，对空气产品的需求量和种类也是越来越多，所以发展了很 多各种规模的空气分离工业，吸附空气分离技术在这个形式下得到了很好的发展。由于市 场的扩大和吸附空气分离技术简单节能的优势，该工艺还会进一步发展。
现在通用的吸附空气分离采用的多是PSA (变压吸附)或者VPSA (真空变压吸附) 方法。以空气分离制氧为例，沸石分子筛优先吸附空气中的氮气使氧气得到提浓。PSA制 氧原理为空气经过除湿和除去C02后在高压下被沸石分子筛吸附其中的氮气，沸石分子筛 再在常压下解吸再生，具体步骤一般为高压吸附、降压(或者均降压)、放空、升压(或 者均升压)、吸附。VPSA是在常压或者微正压条件下吸附，抽真空再生，步骤与PSA类似。 两者一般都以多塔耦合循环稳定的进行，连续不断的生产氧气。
由于空气中总是含有一定水分和其他杂质气体，所以传统的工艺中原料空气在进入吸 附塔之前必须去除里面所含的H20和C02等对制氧分子筛有毒害作用的杂质。 一般的小型 空气分离装置都配有除油过滤器、冷干机除湿器等预处理装置；大型的吸附空气分离制氧 设备有采用两级空气分离的，即第一级先利用除湿吸附剂除去空气中极性比较强的H20等 杂质分子，并使氧气部分增浓，第二级再将氧气制取到需要浓度的产品(如专利CN1252322、 US4190424等有相关描述)。
两级空气分离的第一级预处理阶段，由于H20和C02和吸附剂的结合力比较强，解吸 比较困难，吸附剂必须经加热再生才能较好的重复使用。所以相关文献有将第二段的产品 废气加热后作为第一段的解吸气。这样虽然提高了原料空气利用率，但是整个装置的就显 得较为复杂，成本和能耗也居高不下。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种装置简单，吸附剂再生快速彻底的 从空气中富集氧气的方法。
本发明的技术方案概述如下
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤
(1) 准备分段装填有质量比为1 : 1~30的除湿吸附剂和制氧分子筛的吸附塔，升压至
0.03 2.0Mpa;
(2) 将压力为0.03 2.0Mpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子 筛端的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀 门和原料空气输入阔；(3) 将吸附塔的放空阀门打开，放出吸附塔吸留的气体，使吸附塔内的压力降至常压；
(4) 再将加热至50 160'C的氧气作为再生冲洗气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附
塔，将吸附在除湿吸附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再
生；
(5) 将所述吸附塔升压至0.03 2.0Mpa;重复所述步骤(2) - (5)。 所述步骤(1)的除湿吸附剂和制氧分子筛的比例为1 : 1~25。 所述除湿吸附剂为活性氧化铝、硅胶、3A沸石分子筛和活性炭至少一种。 所述制氧分子筛为5A沸石分子筛或13X沸石分子筛。
所述步骤(4)中所述氧气是由所述吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，所述加热氧气 的通入体积为吸附塔体积的0.2 5倍。
所述步骤(4)中所述氧气的加热方法为直接电加热或工厂余热加热或蒸汽加热。 本发明的优点是
1. 简化了设备，将传统的两级空气分离所需的两个设备除湿设备和制氧设备简化在 一个吸附塔内，降低了成本。
2. 本发明相对传统的吸附空气分离制氧工艺来说，除湿吸附剂和制氧分子筛的再生是 通过吸附塔的降压、升温(氧气的加热)、冲洗(氧气的冲洗)三者联合作用，使吸附塔的 床层解吸再生更快更彻底。本发明将原来只用于除湿吸附剂再生的热量同时用于制氧分子 筛和除湿吸附剂的再生，在不增加能源消耗的情况下将工艺优化。
3. 相对传统的PSA(变压吸附)空气分离制氧，相同的吸附压力和解吸压力下，由于床 层解吸情况比后者要好，而且解吸要求的冲洗气量会比PSA过程少很多，所以就直接提高 了产品产量和回收率；相对传统的VPSA (真空变压吸附)制氧，节省了真空泵的投资和 能耗。如果工厂有品味低的余热可以利用，那么本发明的方法的运行成本进一步降低。
该本发明的方法很大程度上节省了设备投资，尤其适合有余热可以利用并且用氧纯度不 要求很高的条件下使用。再生时候利用高温产品气逆向冲洗，被吸附的氮气和水蒸气等依 次解吸出来，而且，先解吸的氮气对吸附塔除湿段吸附的极性比较强的气体的解吸具有冲 洗作用。
图l为从空气中富集氧气的方法工艺流程图(单塔)。 图2为从空气中富集氧气的方法工艺流程图(三塔)。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 实施例1
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤(见图l)
(l)选择吸附塔，其内径30mm，塔长500mm，吸附塔按质量比1: 7装填活性氧化铝(除 湿吸附剂，图中的B)和5A沸石分子筛(制氧分子筛，图中的A)，操作吸附压力0.3MPa; (2)开启阀VF、 VP、 VR1，并且手动调节产品气氧气流量和再生冲洗气支路(从产品气氧气中分流一部分用于冲洗再生)流量比约为2.5: 1，其他阀门都关闭，将压力为0. 3Mpa 的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端的出口收集氧气，VR1 由热再生气缓冲罐压力反馈控制，使热再生气缓冲罐压力在0.05-0. lMPa范围内波动，待 活性氧化铝和5A沸石分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门VP和VR1,和原料 空气输入阔VF;
G)将吸附塔的放空阀门VW打开，放出吸附塔吸留的气体，使吸附塔内的压力降至常压；
(4) 开启阔VR2，并保持VW的开启状态，将加热至100'C的氧气作为再生冲洗气从吸附 塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸附剂活性氧化铝和制氧分子筛5A沸 石分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；
(5) 冲洗完毕后，只开启阀VF，关闭其他所有的阀门，将所述吸附塔升压至0.3Mpa;重 复所述步骤(2) - (5)，就能间歇的生产浓度富集到80%以上的氧气产品。由于是单塔流 程，缺乏塔与塔之间的均压过程，但氧气回收率仍能达到36.4%，比现有技术的制氧流程 高出不少。
再生冲洗气冲洗量与吸附塔的体积比为1.4:1。
操作时序表为:
吸附180s放空20s热再生冲洗气冲洗60s升压30s
循环到达稳定后，能得到产品气浓度为81.4%，氧气回收率36.4%。
图l说明图中A代表装填的是制氧分子筛如5A沸石分子筛等，B代表是除湿吸附剂
如活性氧化铝等。阀门说明如下
VF:原料空气输入阀， VW: 放空阀门，
VR1 :高温产品再生气支路程控阀， VR2: 再生气冲洗程控阀，
VP:氧气出口阀门， VPH:再生气气量手动调节阀。
实施例2
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤
(1) 准备分段装填有质量比为1 : 5的除湿吸附剂(硅胶)和制氧分子筛(5A沸石分子筛) 的吸附塔，升压至0.03Mpa;
(2) 将压力为0.03Mpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端 的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门和 原料空气输入阀；
(3) 将吸附塔的放空阀门VW打开，直接将吸附塔吸留的气体放空至大气中，使吸附塔内 的压力降至常压；
(4) 再将加热至5(TC的氧气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸 附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；
(5) 将所述吸附塔升压至0.03Mpa;重复所述步骤(2) - (5)。
所述步骤(4)中所述氧气是由所述吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，所述加热氧气 的通入体积为吸附塔体积的0.2倍。氧气的加热方法为直接电加热。吸附60s放空10s热再生冲洗气冲洗30s升压20s
循环运行可以得到氧气浓度31%，氧气回收率60%的富氧产(
实施例3
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤
(1) 准备分段装填有质量比为i : i : io的3A沸石分子筛、活性氧化铝和13X沸石分子
筛的吸附塔，升压至2.0Mpa;
(2) 将压力为2.0Mpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端 的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门和 原料空气输入阀；
(3) 将吸附塔的放空阀门VW打开，直接将吸附塔吸留的气体放空至大气中，使吸附塔内 的压力降至常压；
(4) 再将加热至160'C的氧气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸 附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；
(5) 将所述吸附塔升压至2.0Mpa;重复所述步骤(2) - (5)。
步骤(4)中氧气是由吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，加热氧气的通入体积为吸附 塔体积的5倍。氧气的加热方法为工厂余热加热。
吸附720s放空60s热再生冲洗气冲洗100s升压60s
循环运行可以得到氧气浓度89%，氧气回收率407。的富氧产f品气。
实施例4
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤
(1) 准备分段装填有质量比为2 : 1 : 25的活性炭、硅胶和5A沸石分子筛的吸附塔，升 压至O.lMpa;
(2) 将压力为O.lMpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端 的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门和 原料空气输入阀；
(3) 将吸附塔的放空阀门VW打开，直接将吸附塔吸留的气体放空至大气中，使吸附塔内 的压力降至常压；
(4) 再将加热至12(TC的氧气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸 附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；
(5) 将所述吸附塔升压至0.1Mpa;重复所述步骤(2) - (5)。
步骤(4)中氧气是由吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，加热氧气的通入体积为吸附 塔体积的0.93倍。步骤(4)中氧气的加热方法为蒸汽加热。
吸附180s放空20s热再生冲洗气冲洗60s升压30s
最终得到的富氧产品浓度38.4%,收率50%。 实施例5
一种从空气中富集氧气的方法，包括如下步骤:(1) 准备分段装填有质量比为1 : 1 : 3的活性氧化铝、3A沸石分子筛和5A沸石分子筛的 吸附塔，升压至1.0Mpa;
(2) 将压力为l.OMpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端 的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门和 原料空气输入阔；
(3) 将吸附塔的放空阀门VW打开，直接将吸附塔吸留的气体放空至大气中，使吸附塔内 的压力降至常压；
(4) 再将加热至1'1(TC的氧气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸 附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；
(5) 将所述吸附塔升压至l.OMpa;重复所述步骤(2) - (5)。
步骤(4)中氧气是由吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，加热氧气的通入体积为吸附 塔体积的0.75倍。步骤(4)中氧气的加热方法为蒸汽加热。
吸附600s放空60s热再生冲洗气冲洗60s升压60s
最终得到的富氧产品浓度44.4%，收率62%。 实施例6
图1中描述了单塔制氧的流程，在实际操作中，还可以选用多塔耦合的方式，见图
2)
下表为图2中图号的说明(以三塔为例) F1，F2，F3: 原料气进气阀 P1,P2,P3:产品气出气阀
R1,R2，R3:热再生气冲洗进气阀E1,E2,E3:均压阀 BD1,BD2,BD3:放空阀 RV:产品气分流去加热之路阀门
该三塔变压吸附制氧流程工作时序表
塔号
Tl
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
Tll
T12
吸附
均降
热产品气冲洗再生
均升
终升
热产品气冲 洗再生
均升
终升
吸附
均降
吸附
均降
热产品气冲洗再生
均升
终升
吸附
由于沸石分子筛对氮气的吸附属于平衡吸附，因此传统工艺中只靠压力的改变能使吸 附塔的再生程度有限。为了尽可能的获得更好的分离系数，吸附和再生两者之间的就必须 要有一个比较显著的压差。而经过我们的实验研究发现，升高温度使沸石分子筛吸附氮气 的能力下降很快，例如85'C下吸附容量只有27'C下的0.2倍左右。由理论和实验充分证明:
产气洗生
热品冲再降压升温联合作用，必定会大大提高吸附剂再生程度。
本发明所用的吸附塔按比例装填了除湿吸附剂和制氧分子筛，装填比例根据空气中的 H2〇、C02含量和吸附剂对其的吸附性能计算。并要求除湿段的饱和时间不小于制氧分子 筛段的饱和时间。
富氧流程为原料空气加压后进入高压下的吸附塔，杂质和氮气被吸附剂吸留在吸附 塔内，氧气作为产品气从产品端流出，待吸附剂吸附基本饱和后，降低床层压力至常压，
将少量的产品氧气加热至50 16(TC后逆向通入吸附塔，加热并冲洗再生吸附剂，使其可以
循环使用。
权利要求
1.一种从空气中富集氧气的方法，其特征是包括如下步骤(1)准备分段装填有质量比为1∶1～30的除湿吸附剂和制氧分子筛的吸附塔，升压至0.03～2.0Mpa；(2)将压力为0.03～2.0Mpa的原料空气输入吸附塔的除湿吸附剂端，从吸附塔的制氧分子筛端的出口收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛基本饱和时，关闭吸附塔的氧气出口阀门和原料空气输入阀；(3)将吸附塔的放空阀门打开，放出吸附塔吸留的气体，使吸附塔内的压力降至常压；(4)再将加热至50～160℃的氧气作为再生冲洗气从吸附塔的制氧分子筛端通入所述吸附塔，将吸附在除湿吸附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；(5)将所述吸附塔升压至0.03～2.0Mpa；重复所述步骤(2)-(5)。
2. 根据权利要求l所述的一种从空气中富集氧气的方法，其特征是所述步骤(1)的除湿 吸附剂和制氧分子筛的比例为1 : 1~25。
3. 根据权利要求1或2所述的一种从空气中富集氧气的方法，其特征是所述除湿吸附剂 为活性氧化铝、硅胶、3A沸石分子筛和活性炭至少一种。
4. 根据权利要求1或2所述的一种从空气中富集氧气的方法，其特征是所述制氧分子筛 为5A沸石分子筛或13X沸石分子筛。
5. 根据权利要求l所述的一种从空气中富集氧气的方法，其特征是所述步骤(4)中所述 氧气是由所述吸附塔的制氧分子筛端收集的氧气，所述加热氧气的通入体积为吸附塔体 积的0.2 5倍。
6. 根据权利要求l所述的一种从空气中富集氧气的方法，其特征是所述步骤(4)中所述 氧气的加热方法为直接电加热或工厂余热加热或蒸汽加热。
全文摘要
本发明公开了一种从空气中富集氧气的方法，步骤为(1)准备分段装填有除湿吸附剂和制氧分子筛的吸附塔，升压；(2)将原料空气输入吸附塔，收集氧气，待除湿吸附剂和制氧分子筛饱和时，关闭氧气出口阀和原料空气输入阀；(3)将放空阀打开，放出吸附塔吸留的气体，降压；(4)将加热的氧气作为再生冲洗气从吸附塔的制氧分子筛端通入吸附塔，将吸附在除湿吸附剂和制氧分子筛上的物质冲洗下来，使除湿吸附剂和制氧分子筛再生；(5)将吸附塔升压；重复所述步骤(2)-(5)。本发明的方法节省了设备投资；将原来只用于除湿吸附剂再生的热量同时用于制氧分子筛和除湿吸附剂的再生，在不增加能源消耗的情况下将工艺优化。
文档编号C01B13/02GK101301999SQ20081005362
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者何东荣, 吴婷婷, 崔乐雨, 张东辉, 胡智辉 申请人:天津大学