循环有价值气体的变压吸附方法

专利名称：循环有价值气体的变压吸附方法
技术领域：
本发明属于混合气体分离技术领域，具体涉及一种通过变压吸附(PSA， Pressure Swing Adsorption)工艺来实现原料气体混合物分离的方法，特别涉及一种循环有价值气体的变 压吸附方法，高效率地实现对混合气体的分离，获取其中一种或多种高纯气体。
技术背景变压吸附.(PSA)方法作为一种先进的气体分离技术，已成功地应用于石油、化工、电子、冶金、医药等领域，诸如从炼油厂催化干气、石油重整富氢气、合成氨厂弛放气、甲醇弛放气等，氢混合气中提取纯氢；从液化丁烷气中分离出异丁垸和正丁垸；从高炉废 气中提取一氧化碳；从空气中分离氧气或氮气等等。它在工业生产的节能降耗、增产增效 方面有着广泛的应用。众所周知，变压吸附(PSA)方法被用于从含有至少一种难吸附组分和至少一种易吸 附组分的气体混和物中分离或提纯至少其中一种组分。基于平衡吸附理论的变压吸附制氧 是最典型的PSA分离过程代表，该方法在应用于分离本质上包括氧气和氮气的气态流，例 如空气，以沸石或其它吸附材料优先吸附氮气，以便生产氧或一种富含氧的气态流。自美 国联碳公司上世纪50年代成功合成氟石并由此以来，SKARTR0M最早在美国专利U. S 2， 944， 627中公布了世界上最早的PSA方法，它由以下四个基本步骤的循环构成(1)吸附， (2)降压，(3)吹扫，4)再加压。此后，人们对该基本吸附操作循环加入了各种步骤尝试 提高工艺产量和气体纯度、节省能源消耗、降低吸附剂用量、降低成本、改善系统稳定性 和简便增容扩展。已知的方式表明，在PSA操作循环中加入的均压步骤对系统纯度与产量的提高、能源 消耗的降低具有卓有成效的作用。由于完成吸附的吸附塔本身具有的较高压力的气体在均 压时进入另一吸附塔或者一个中间缓冲罐再次进入系统循环进行吸附分离，从而提高了产 物气的回收率，并使得吸附塔在升压初期的压力迅速上升，有助于产品气纯度的提高。R Baner jee等人利用有效能分析讨论了无均压步骤和有均压歩骤的PSA过程，指出与无均压 步骤相比，有均压歩骤的流程的吸附压力明显降低，氧气纯度和回收率明显提高。在众多的对PSA过程进行的改良措施中，针对利用有价值气体有一系列方法。众多研 究单位、生产制造厂家都在围绕提高PSA过程的能源利用效率、降低设备制造成本、提高 设备稳定性等方面做各种各样地改良。例如对于一个双塔运行的PSA过程，有多种均压方式，如图1 —图7所示。从中可以看出，对于典型的2床PSA系统，在这些回收有价值气 体的均压操作方式中，有两点是显然的首先，回收不彻底，动能回收最多一半，有价值 气体的组分不能按照吸附饱和的吸附塔可以进行的最大极限回收， 一旦压力均衡结束，虽 然吸附塔内仍然具有可回收利用的组分，也无法继续回收。国内有回收有价值气体动能与 组分的专利报导，如专利200510062324. 9，其发明内容提供了一种能回收利用部分尾气， 以提高变压吸附分离法气体回收率的工艺。对吸附产生的尾气通过控制切换，将有回收价 值的尾气先引入一个尾气贮存空间中，累积后将贮存的尾气增压，送入原料气进气管路中 回收使用。从其发明内容我们可以很清晰的看到，它所希望获得的尾气来自吸附饱和的吸 附塔进料端，，不是产物端。本专业的人员会意识到，这样吸附饱和后，吸附塔产物端吸 附剂颗粒之l;的缝隙空间以及产物端管路中的产品气组分大量富集的余隙气才是真正有 价值回收的气体。 一般而言，应该从吸附塔进料端逆流快速地排出所吸附的气体以完成解 吸，吸附饱和J^自此排出的气体是原料气、解吸气以及产物端有价值气体的混和物，大量 有价值的气体由于这种混和降低以至失去回收价值，其能量回收以及物质回收措施显然无 助于或者可以很少地提高系统效率，仅对为了更彻底的床层清洗过程产生的过量的产品气 有回收功效。很显然，过量的清洗气体可以靠控制清洗时间或者其它措施以很简单、低成 本的方式实现，对此"尾气"增压只能导致比能的进一步增加，即使不增压，也并没有很 好地解决利用吸附塔本身具有的气体动能。因为逆流排出来的气体必须是迅速的，而不能 在后面有更高的背压，所以这种能量回收与有价值气体组分回收只能是有限的，并没解决 好组分的彻底回收以及能量的最大化回收等核心问题。其次，本领域的技术人员都知道，吸附塔设计时大部分都会采用固定吸附剂的装置， 并严格限制设计的进入床层的气体流速，为的是牢牢固定吸附剂床层，以避免吸附剂流化。 对于原料气自上而下进入吸附塔的设备， 一般其气流速度不能超过流化速度的2倍，原料 气径向进入吸附塔的气流速度不能超过其流化速度的1.5倍，而原料气自下而上进入吸附 塔的气体流速不能超过其流化速度的0.75倍。对于回收有价值气体过程的均压过程，气 体流向是自吸附饱和的吸附塔的产物端开始的，无论是前述的何种气体进入方式，在这一 步骤内，均压过程的气体在流出以及流入另外一个装填有吸附剂的床层或者说分离器时， 极短时间完成的均压步骤将带来巨大的气流冲击，从而导致吸附剂使用寿命的縮短，造成 过早的粉化，甚至瞬间摧毁系统。再比如，自空气中以氟石分子筛提取氧气的大型PSA系 统中，较短的周期要求极短的均衡压力的歩骤，又比如以碳分子筛进行的PSA氮气提取过 程以及快速PSA过程(所谓RPSA)等。现有技术均没有很好地解决均压过程中气体流向对 设备造成的稳定性问题，导致逆向流动的气体对床层稳定性构成严重的威胁。对于流量大于80立方/小时，吸附压力在5bar以上的PSA过程来说尤为致命，在大负荷的冲击情况 下，系统可能出现半年、几个月、甚至几天就导致吸附剂粉化的现象发生。国内专利 00263040. 0报道了一种原料气自吸附塔上部进入，而吸附饱和的气体自吸附塔中间部分排 出的方法，通过l个中间部位的收集管循环有价值气体，并自中部排出吸附饱和的气流。 因为采用了原料气自上部进入吸附塔，其本身设计允许的气流速度比较自下部进入或者径 向进入吸附塔的气体流向的吸附装置来说有更大的允许值。该专利中产品气体由下端排 出，因为吸附剂有自重，能保证吸附剂整体移动方向与其下沉方向一致，从而无须采用压 紧装置，节约了制造成本，提高了系统可靠性，从某种程度上解决了系统的稳定性问题。 但从其描述的气体流向可以清楚地看到，该专利并没有提出循环回收这些有价值气体的方 法，仍然存,均压过程进行时气体逆流冲击床层的现象，并且冲击很大。目前，变压吸附装置大部分釆用"加压吸附一均压一降压解吸一反吹清洗"的工艺流 程。在这种工S流程中，吸附阶段完成时，将完成吸附的吸附塔对即将进入吸附阶段的吸 附塔或者一个空的缓冲罐做一个均衡压力的操作步骤，使之升至一个中间压力，以回收吸 附塔内的余隙气，达到了一定的节能降耗作用。但是，在上述的循环操作过程中，并没有 充分考虑回收完成吸附的吸附塔中的该循环步骤的气体流向、压力与各组分分压的变化， 来使在该回收过程中既最大程度的回收有价值气体的物理组分、动能，又最大限度的降低 循环过程容易产生的气流冲击形成的系统不稳定性。也就是说，并没有很好的解决在有价 值气体回收的同时最大限度的实现气体动能与组分的回收，并对设备稳定性问题以及系统 的扩展性问题提出解决方案。 发明内容本发明的目的在于提出一种系统稳定性好、能源消耗省、可循环回收利用有价值气体 的变压吸附方法。本发明提出的有价值气体的变压吸附方法，是在一个或多个吸附塔中将含有易吸附组 分与难吸附组分有效率分离的变压吸附方法，具体是根据有价值气体的压力与难吸附组分 纯度的不同，通过一些方法分级以不同的方式循环、回收或利用。本发明采用下述方式来循环、回收或利用有价值气体1将气体从较高压力的吸附塔产物端释放到中间平衡罐，或气体从较高压力的中间平 衡罐进入吸附塔的进料端，使吸附塔降压或升压；2将吸附塔中的有价值气体从其产物端引至原料气升压机的入口端的气体贮存器來进 行均降压；3将气体从较高压力的吸附塔产物端引至处于较低压力的另一吸附塔的进料端，直至两吸附塔的压力大致平衡，使吸附塔降压或升压；4将中间平衡罐的有价值气体通过控制阀循环导入吸附塔产物端对吸附塔内的吸附床 层进行清洗，然后再根据要求将产品气罐的产品气体导入到吸附塔产物端对吸附塔内的吸 附床层进行清洗。应用到具体的工艺过程中可以通过下述操作步骤来实施(1) 经升压到一个较高压力的原料气迸入吸附塔，易吸附组分被吸附，产物端达到 要求的产品气纯度的难吸附组分作为产品气输出至产品气罐；(2) 有价值气体从已经完成吸附步骤的吸附塔的产物端流向另一吸附塔(多个吸附 塔组成的PSA系统)的进料端或流向一个中间平衡罐(一级平衡罐，对单一吸附塔组成的 PSA系统)，使后者压力升至一个中间压力，大约为吸附压力的l/2;(3) 有价值气再进入另一中间平衡罐(二级平衡罐，空罐，对多个吸附塔组成的PSA 系统)，使后者i力升至二级中间压力，使之压力约为吸附压力的l/4;(4) 有价值气体从吸附塔产物端循环到升压机前的贮存容器(原料气平衡罐，空罐)， 与原料气混合；(5) 当吸附塔产物端气体被认为是没有价值的时候，立即自吸附塔进料端进行放压 以完成解吸；(6) 将各级平衡罐的有价值气体通过控制阀循环导入至吸附塔产物端对吸附塔内的 吸附床层进行清洗或者压縮机入口 ；(7) 产品气罐的产品气体可以根据要求导入至吸附塔产物端对吸附塔内的吸附床层 进行清洗；(8) 另一进入吸附阶段的吸附塔接收的是有价值气体与原料气的混合物，进料后开 始升高压力，进行吸附过程，此过程中，原料气平衡罐的有价值气体是通过本来具有的压 縮机循环导入此吸附塔进料端的；(9) 当接收有价值气体的原料气平衡罐压力降低到原压縮机本身的吸气压力以下时， 单向阀自动开启，自前面吸入原料气；(10) 上述步骤循环进行。 本发明所述的较高压力是指两均压容器相对而言的较高压力。本发明所述的有价值气体是指压力大于原料气升压机入口端压力且气体组分或者说 纯度大于本身原料气中产品组分纯度的气体。应用本发明所述方法的PSA系统可以是由一个、两个或几个优先吸附易吸附气体组分 (与难吸附气体组分相比)的吸附剂床(吸附塔)组成。在多个吸附塔组成的系统中， 一般吸附塔平行设置，至少一个吸附塔是在吸附步骤， 而其它吸附床则进行再生等异相方式操作。在下面三个阶段通过不同方法来实现彻底回 收、循环和利用有价值气体1、 依次通过将己经完成吸附步骤的吸附塔中的有价值气体从其产物端流向另一吸附 塔的进料端、进入中间平衡罐、从吸附塔产物端循环到升压机前的贮存容器等方式来分级 均降压；2、 先利用各级平衡罐的有价值气体从吸附塔产物端进入对吸附塔内的吸附床层进行 清洗，再根据需要用产品气罐的产品气体从吸附塔产物端进入对吸附塔内的吸附床层进行 清洗；3、 根据各个容器中的压力大小情况来合理利用中间平衡罐、需要降压的吸附塔和贮 存容器中的有价值气体对需要升压的吸附器进行分级均压或者升压。但本发明也不排除仅采用一个吸附塔，而采用至少一个空的中间平衡罐或缓冲罐以实 现气体回收的目的。与多个吸附塔不同之处仅仅在于在各个阶段少了吸附塔之间的相互均 压。可以根据具体的实施情况，来安排各个阶段中吸附塔之间均压、利用中间平衡罐均压 和回流到贮存容器的相互组合形式，比如可以省去吸附塔之间的均压，或者省去向中间平 衡罐的均压。如图8和图9所示，图8是一个典型的2床PSA过程的均压气体流向，图9是一个典 型的单床PSA过程的均压，利用一个空的缓冲罐与必要的控制阀门可以较好地解决回收彻 底问题并有利于床层气体流向的稳定。上述步骤4将有价值气体从吸附塔产物端循环到升压机前的贮存容器(原料气平衡罐， 空罐)，与原料气混合以提高原料气压力与难吸附组分纯度。此时，其回收过程因为升压 机的存在可以是彻底的、无限制的，而且并不增加或者很少的增加比能。上述步骤5当吸附塔产物端气体被认为是没有价值的时候，立即自吸附塔进料端进行 放压以完成解吸。显然，此时的逆流放压过程对床层的冲击较现有技术小得多，而且，此 时任何公知的技术手段，比如对床层引入产品气进行清洗等都可以进行利用。而与其它的 技术手段不同的是，本发明可以利用已经收集的低纯度气体，例如，可以在通过在收集的 空罐中加入一些填料，方便地实现对床层以不同纯度递增的气体进行床层清洗，最后再使 用产品气进行清洗。这样不仅可以减少对产品气的回用，而且获得了更好的经济效益与效 率。在本发明中的PSA过程中，至少包括一个在吸附饱和后的有价值气体的循环过程，它是自产物端向其它的吸附塔的进料端或者与原料气相通的平衡罐流动，回收气体的动能与 有价值气体组分。本发明可以用于用一种吸附剂从易吸附的任何其它气体中分离不易被吸附的任何气 体，易吸附组分或者难吸附组分都可以单独或者同时作为所需的产品气。例如，从空气中 同时生产富集的N,和02,或者从烟道气中生产富集的A和C02。本发明的吸附塔中，可以采用多种吸附剂布置成一层或多层主要吸附剂层来回收所需 要的气体组分，所公开的方法可以用于其它的多组分分离。用来评价和选择回收容易或者 难吸附组分的吸附剂的方法是一种公知的方法，可使用一种或者多种适当的吸附剂的任何 组合来吸附，例如，不限于使用CaA沸石、LiX沸石、或者任何其它的特效吸附剂来回收 氧，更难被选择性吸附的组分即是所需的产品。在这方面，包括但不限于以下分离用途 用选择氮的吸附剂来从空气中回收氧；用选择氧的吸附剂来从空气中回收氮；用选择C02 的吸附剂来从^化煤中回收一氧化碳；用选择C0的吸附剂来从气化煤中回收二氧化碳； 用或选择氧或选择氮的吸附剂来实现氧/氮分离。因此，只是为了方便才把本发明的具体特性示于附图或解释于本文中。因为按照本发 明，这些特性还可与其它的特性相结合。本领域的技术人员会承认，其它可在本发明的实 践中使用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内。在本发明中，所述变压吸附(PSA)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。此外，"变压吸附(PSA)"要在更宽广的意义上理解，也就是说，对于周期性循环的 高压，可以包括大于或等于大气压力，而周期性循环的低压则包括小于或等于大气压力。本发明提到的压力是绝对压力。吸附塔(床)，所指为装有一种或者多种吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸 附的组分有较强的吸附能力。本发明中描述的难吸附组分，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。本发明所指循环中的"有价值气体"是指有着可利用的气体动能以及可利用的气体组 分， 一般是指压力大于原料气升压机入口端fll力且产品气组分纯度大于原料气中产品气组 分纯度的气体。本发明优先应用于基于平衡吸附理论而非动力学分离理论的PSA过程，但不排除基于 动力学分离理论的PSA过程可以采用本发明以实现本发明目的。所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本发明的方法可以实现分离的典型实例包括氧气/氮气的分离、 二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烷烃的分离。在基 于平衡吸附理论的PSA过程中，从含氮气和氧气的气体例如空气中分离氮气或氧气是最典 型的代表。下述主要以PSA制氧过程为例来描述本发明的技术特征。本发明提出的一系列措施，可以结合一些变压吸附操作方法上的改良来实现维持系统 稳定性以及改善操作过程等优点，使得吸附过程完全按照平衡吸附理论的基础进行。本发明提出了一种非对称吸附概念来实现一种更有效率的循环操作过程。通过上述方 法可以将分立的吸附过程独立化，从而实现非对称吸附。非对称吸附，也就是针对每个在 线的吸附塔，吸附饱和即切换，再生彻底即转入吸附，有效的提高了产能，也间接的提高 了效率，并从一定程度上减少了吸附剂用量。而且，此操作特性的揭示，可方便地对系统 产量进行扩展，各个分立的吸附塔可以是不一样的。针对原来的吸附循环操作， 一般是异 向运行的，A塔在吸附的同时B塔一定是在做一个类似的工步，而即使是工步完成了，也 需要等待A完成后一起切换到下一个步骤，这显然浪费了时效。在采用本发明后，A、 B可 以完全独立的、按照吸附塔本身装填量的固有特性进行操作，饱和即切换，再生彻底即转 入吸附，塔之间通过一系列的操作步骤在不影响系统回收率、能源消耗的情况下，低成本 的实现了这个过程，这是前所未有的。借助于本过程操作原理，可以最大限度地利用分子 筛，减少吸附剂的用量。本发明的PSA分离过程可以是非对称的，就可以以借助这种非对称的操作模式，使得 PSA过程类似无须按照对称时序运行这将有助于设备产量的无限扩展，较好的解决了系统 稳定性问题。这样就克服了 PSA过程的弱点，而使得本发明的PSA过程可以类似一个膜 分离过程一样实现了增容简便，它无须吸附塔大小一致，甚至无须吸附塔内装填的分子筛 一致，可以根据PSA过程需要的吸附剂装填量任意设计需要的过程产量，这是前所未有的。本发明提供的气体分离的方法包括VPSA、 VSA在内的改良的PSA方法。本发明提供的通过气体分离方法包括进行高纯气体回收的PSA/VPSA/VSA改良方法。本发明提供的增强能源效率、降低单位能耗、增强系统吸附能力、改善了操作过程稳 定性以及有效扩展的PSA方法，包括VPSA方法。在本发明中，还包括一个无须床层连通作用的示例，它可以将分立的吸附过程独立化， 从而实现非对称吸附。综上，通过本发明所述方法，使得有价值气体的压力与难吸附组分形成分级的、采用 不同的方式循环、回收或利用，更彻底地回收了有价值组分，更有效率地回收了气体动能， 以极小的成本实现了这一重要过程。更值得特别提出的是，通过设覽一个原料气平衡罐，使得在循环这些有价值气体的同时，能够可选地取消塔间均压，从而使吸附过程可以是非 对称的。另外也使得循环这些有价值气体的同时，可以保持均压过程的气体流向无损工艺 设备的稳定性，圆满地解决了现有技术存在的问题，提高了效率，增强了系统的稳定性， 扩展了操作模式，并解决了系统产能扩展的问题。本发明采用的一系列-法可以有效彻底地进行所期望的有价值气体的回收，在不增加 机械能的情况，低成本的解决了彻底回收或者说按照自己期望回收的问题。本发明提供了 一种循环有价值气体的变压吸附方法，更确切地说，是通过循环有价值气体，改进了PSA 过程的能源效率，更有效的回收了有价值的气体组分，以极低的成本，改善了设备的稳定 性。除此之外，更重要的是本发明解决了PSA操作过程的增容扩展。


图1原有的均压方式之一。图2原有的均压方式之一。图3原有的均压方式之一。图4原有的均压方式之一。图5原有的均压方式之一。图6原有的均压方式之一。图7原有的均压方式之一。图8本发明的均压方式。图9本发明的均压方式。图10本发明优选的单个吸附塔的一种工艺流程。图11本发明优选的两吸附塔的无中间罐的一种工艺流程。图12本发明优选的两吸附塔的有中间罐的一种工艺流程。图中标号l为原料气平衡罐，2为升压机，3为平衡罐，4为吸附塔(床)，4A为吸 附塔(床)，4B为吸附塔(床)，5为产品气罐，6为单向回止阀，7为升压机控制阀，8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24为阀门，25为二级 平衡罐。
具体实施方式
以下通过实例形式的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一歩的详细说明。但 不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下的实例，凡基于本发明以上的内容所实现 的技术均属于本发明的范围。实施例1 :本实施例子是以单个吸附塔为例用图10中描述的实施方案更详细地说明本发明 在单吸附塔中，利用沸石分子筛吸附剂将空气分离成高纯度的难吸附的氧气产品，而 排出作为副产品气的易吸附组分的氮气。原料空气通过单向止回阀6后，进入原料气平衡 罐1中与回收的有价值气体(吸附塔的放压气)混合，当原料气平衡罐1的压力由于余隙 气而升高时，原料空气将不通过单向阀6，但是当原料气平衡罐l中余隙气的压力降低时， 空气将开始通过控制阀7并与原料气平衡罐l,中的剩余的余隙气混合，包括一些余隙气的 原料空气通过控制阀7后，在升压机2中升压到吸附压力，而后通过阀门9进入吸附塔4 的吸附床层，氮气被吸附，氧气得到富集作为产品气从吸附床层产物端排出，经阀门13 收集到产品气罐5中。经过一段时间后，吸附塔4中的吸附床层下游氮气吸附接近饱和(氮 气即将穿透吸附床层，氧气纯度有降低至低于产品气要求纯度可能时)，关闭阀门13，开 启阀门12使有价值气体从吸附塔产物端流至中间平衡罐3中，当中间平衡罐3内的压力 升至大约为吸附压力的1/2时，关闭阀门12，开启阀门ll，使有价值气体从吸附塔4的 产物端导入原料气平衡罐1中以提高原料空气压力与氧气纯度。当回流气非有价值气时(氧 气纯度接近21%),关闭阀门11，开启阀门8和阀门9使吸附塔4逆流放空。当放空结束 后关闭阀门8和阀门9，开启阀门13对吸附塔进行清洗，当清洗完成后，关闭相应阀门， 开启阀门IO，将中间平衡罐中的有价值气体均匀导入吸附塔床层的进料端，使其吸附床的 压力不断升高，当其压力升高到平衡压力时，关闭相应的阀门IO，开启阀门7与阀门9使 吸附塔压力升至吸附压力，进入再次吸附产气。重复上面的步骤进行操作。 实施例2:本实施例子是以两个吸附塔为例用图11中描述的实施方案更详细地说明本发明所优 选的多个吸附塔的变压吸附系统在两个并联的吸附塔中，利用沸石分子筛吸附剂将空气分离成高纯度的难吸附的氧气 产品，而排出作为副产品气的易吸附组分的氮气。原料空气通过单向止回阀6后，进入原 料气平衡罐1中与回收的有价值气体(吸附塔的放压气)混合，当原料气平衡罐1中的压 力由于余隙气升高时，原料空气将不通过单向阀6，但是当原料气平衡罐1中余隙气的压 力降低时，空气将开始通过单向阀6并与原料气平衡罐1中的剩余的余隙气混合，包括一 些余隙气的原料空气通过阀7后，在升压机2中升压到吸附压力。而后通过阀门14进入 吸附塔4A的吸附床层，氮气被吸附，氧气得到富集作为产品气从吸附床层产物端排出， 经阀门21收集到产品气罐5中。经一时间段后，4A中的吸附床层下游氮气吸附接近饱和 (氮气即将穿透吸附床层，氧气纯度有降低至低于产品气要求纯度可能时)，此时关闭阀 门21，开启阀门19和阀门17，连通两吸附塔，对吸附塔4B进行均压。当吸附塔4B内的压力达到吸附压力的约1/2时，关闭阀门17，开启阀门11，使有价值气体从吸附塔产物 端导入气体平衡罐l中以提高原料空气压力与氧气纯度。当回流气非有价值气时(氧气纯 度接近21%)，关闭阀门19和阀门11，开启阀门16和阀门18，使吸附塔4A逆流放空。放 空结束后关闭阀门16和阀门18,开启阀门21对吸附塔4A进行清洗。当清洗完成后，关 闭相应阀门，开启阀门20和阀门16,将进入解吸的吸附塔4B中有价值气体均匀导入吸附 塔床层的进料端，使其吸附床的压力不断升高，当其压力升高到中等压力时，关闭相应的 两阀门，开启阀门14与阀门7使吸附塔压力升至吸附压力，进入再次吸附产气。重复上 面的步骤进行操作。 实施例3:本实施例子是以两个吸附塔为例用图12中描述的实施方案更详细地说明本发明所优选的多个吸附塔的变压吸附系统在两个并娱的吸附塔中，利用沸石分子筛吸附剂将空气分离成高纯度的难吸附的氧气产品，而排出作为副产品气的易吸附组分的氮气。原料空气通过单向止回阀6后，进入原料气平衡罐1中与回收的有价值气体(吸附塔的放压气)混合，当原料气平衡罐1中的压力由于余隙气升高时，原料空气将不通过单向阀6，但是当原料气平衡罐1中余隙气的压力降低时，空气将开始通过阀6并与原料气平衡罐1中的剩余的余隙气混合，包括一些余隙气的原料空气通过阀7后，在升压机2中升压到吸附压力。而后通过阔门14进入吸附塔4A的吸附床层，氮气被吸附，氧气得到富集作为产品气从吸附床层产物端排出，经阀门21收集到产品气罐5中。经一时间段后，4A中的吸附床层下游氮气吸附接近饱和(氮气即将穿透吸附床层，氧气纯度有降低至低于产品气要求纯度可能时)，此时关闭阀门21，开启阀门19和阀门17，连通两吸附塔，对吸附塔4B进行均压，当吸附塔4B内的压力达到吸附压力的约l/2时，关闭阀门17，打开阀24，均入二级平衡罐25，均压后关闭阀24，开启阀门23，使有价值气体从吸附塔产物端导入原料气平衡罐1中以提高原料空气压力与氧气纯度。当回流气非有价值气时(氧气纯度接近21%)，关闭阀门19和阀门23，开启阀门16和阀门18，使吸附塔4A逆流放空。放空结束后关闭阀门16和阀门18，打开阀19和24，先以二级平衡罐25中气体进行初步清洗，清洗后关闭阀19和24,丌启阀门21对吸附塔4A进行清洗。当清洗完成后，关闭相应阀门，丌启阀门20和阀门16，将进入解吸的吸附塔4B中有价值气体均匀导入吸附塔床层的进料端，使其吸附床的压力不断升高，当其压力升高到中等压力时，关闭相应的两阀门，开启阀门14与阀门7使吸附塔压力升至吸附压力，进入再次吸附产气。重复上面的歩骤进行操作。与现有技术相反，如上面描述的本发明优选实施方案，本发明加有许多优点例如，由于采用有价值气的认定，并将有价值气分级加以循环利用，产品气的回收率提高。并且 在入口单向止回阀的关闭时间期间，平衡罐接收有价值气体，压力升高，就节省了升压机 升压的功率。与现有技术的一般的方法相比，在排气到大气压力前的吸附剂床层的压力是 较低的，因此，本发明的方法减少了对回收率有反作用的废气量排放的同时也降低了废气 排放时的噪音。再者，在循环的部分期间，由于含循环的有价值气体的入口压力大于现有 技术工艺过程的标准大气压的空气作为真正的原料气的压力，所以升压机的出物量增加 了，也进一步减少原料压縮机的尺寸。在整个循环期间，由于本发明的方法采用吸附塔产物端向进料端的均压，甚至可选地 取消塔间的均压，其气体流动的方向一致，避免了吸附剂在高压逆向气流作用下的流化此外，在本发明中，将余隙气进行分级循环的方法与现有技术是相矛盾的，这对与现 有技术方法相矛盾的本方法的产品产量和收率产生非常大的影响。通过适当的布置本发明 的设备，使在余隙气放压和排气时可能出现的高速气体流动方向只向下游产物端方向出 现，这就避免了吸附塔内吸附剂颗粒的流化，也避免了现有技术均压中必须要考虑的吸附 剂颗粒的各种固定性要求。特别说明的是，图11中的两吸附塔有任意一塔出现纯度下降不能满足产品气要求时， 在一定限度内，系统仍可自动适应，不会影响产品气的纯度，特定情况下，系统可设定为 两塔独立运行或是单塔运行，这在某些时候是非常有益的，也是可行的，这就为带故障运 行、维修维护带来了意想之外的好处。以判定是否有价值气体，以及按有价值气体的压力与纯度来运行的系统需要更为智能 的控制程序支持，但有经验的技术人员可能己经发现，尽管看起来控制更为复杂，但实现 起来却并不困难，设备的调试过程几乎就是系统自适应到稳定的过程。在故障的判断上， 控制程序将给予维护维修人员更充分的信息，甚至直接指定故障点。以上描述的或附图所示的方法和装置中，可作出各种各样的变动而不会背离本发明的 范围。因此，本方法虽然优选使用的是任何要求的构造形式、即或是固定容积、或是固定 压力的两个吸附塔和一个或多个贮存罐，但本方法也可利用两个以上的吸附塔和多个贮存 罐。再者，本发明通过吸附塔的气流型式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的型式。关 于单个吸附塔，每个都可包括有多个主要吸附层，或者也可没有或设有一个或更多的预处 理层用以吸附其它组分如水汽。另外，每个吸附剂层可包括单一品种的吸附剂或两种或两 种以上吸附剂的混合物。为了方便才把本发明的具体特性示于附图中或解释于上文中，因为按照本发明，这些 特性还可与其它的特性相结合。本领域的技术人员会承认，其它可在本发明的实践中使用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内。
权利要求
1、一种循环有价值气体的变压吸附方法，在吸附系统中至少设置一级或二级平衡罐，吸附塔至少为一个，吸附塔平行设置，至少一个吸附塔在吸附步骤，其余吸附塔进行再生异相方式操作，其特征在于采用下述方式来循环、回收或利用有价值气体(1)将气体从较高压力的吸附塔产物端释放到中间平衡罐，或气体从较高压力的中间平衡罐进入吸附塔的进料端，使吸附塔降压或升压；(2)将吸附塔中的有价值气体从其产物端引至与原料气升压机入口端相连的气体贮存器来进行均降压；(3)将气体从较高压力的吸附塔产物端引至处于较低压力的另一吸附塔的进料端，直至两吸附塔的压力大致平衡，使吸附塔降压或升压；(4)将中间平衡罐的有价值气体通过控制阀循环导入吸附塔产物端对吸附塔内的吸附床层进行清洗，然后再根据要求将产品气罐的产品气体导入到吸附塔产物端对吸附塔内的吸附床层进行清洗。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤如下(1) 经升压到一个较高压力的原料气进入吸附塔，易吸附组分被吸附，产物端达到 要求的产品气纯度的难吸附组分作为产品气输出至产品气罐；(2) 有价值气体从已经完成吸附步骤的吸附塔的产物端流向另一吸附塔的进料端或 流向一个中间平衡罐，使后者压力升至一个中间压力，大约为吸附压力的l/2;(3) 有价值气再进入另一与原料气升压机相连的中间平衡罐，使后者压力升至二级 中间压力，使之压力约为吸附压力的l/4;(4) 有价值气体从吸附塔产物端循环到升压机前的原料气平衡罐，与原料气混合；(5) 当吸附塔产物端气体被认为是没有价值的时候，立即自吸附塔进料端进行放压 以完成解吸；(6) 将各级平衡罐的有价值气体通过控制阀循环导入至吸附塔产物端对吸附塔内的 吸附床层进行清洗；(7) 产品气罐的产品气体可以根据要求导入至吸附塔产物端对吸附塔内的吸附床层 进行清洗；(8) 另一进入吸附阶段的吸附塔在接收到有价值气体与原料气后丌始升高压力，进 行吸附过程，原料气平衡罐的有价但气体通过本來具有的压縮机循坏导入此吸附塔进料 端；(9) 在接收有价值气体的原料气平衡繊压力降低到原压缩机本身的吸气压力以下时，单向阀自动开启，自前面吸入原料气； (10)上述步骤循环进行。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述吸附塔中采用多种吸附剂，布 置成一层或多层吸附层，来回收需要的气体组分。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于用选择氮的吸附剂来从空气中回收氧； 用选择氧的吸附剂来从空气中回收氮；用选择C02的吸附剂来从气化煤中回收一氧化碳； 用选择CO的吸附剂来从气化煤中回收二氧化碳；用或选择氧或选择氮的吸附剂来实现氧/ 氮分离。
5、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于可将分立的吸附过程独立化，以实 现非对称吸附。
全文摘要
本发明属于混合气体分离技术领域，具体为一种循环有价值气体的变压吸附方法。具体是在吸附系统中至少设置一级或二级平衡罐，吸附塔至少为一个，吸附塔可平行设置，且至少有一个吸附塔在吸附步骤，其它吸附塔进行再生等异相方式操作；将有价值气体从吸附塔产物端循环回用到中间平衡罐或原料气贮存容器来进行分级均压，不仅彻底有效地可回用难吸附组分和气体动能，降低能耗，减少动力设备所需费用，还可增强系统的稳定性，另外可以通过采用非对称操作模式使系统扩展无限。
文档编号B01D53/053GK101249370SQ200810035578
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者张元秀, 赵宏炜, 陈宗蓬 申请人:上海穗杉实业有限公司