CN102091499B - 一种变温吸附的氧氮联合分离的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于混合气体分离技术领域，具体为一种变温吸附的氧氮联合分离的方法与装置。该装置包括至少两个装填吸附剂的吸附塔；加热与冷却吸附塔内吸附剂的加热与换热装置，向每个吸附塔提供原料气的管线；自每个吸附塔取出产品气的管线；吸附塔与吸附塔之间进行气体组分与能量回收交换的管线，用以将吸附饱和后吸附塔内的气体动能与热能到另外一个吸附塔；氧气和氮气产品气缓冲罐；氧气产品气连接至各个吸附塔的进料端的清洗管线；氮气产品至各个吸附塔出料端的清洗管线。本发明提出的分离方法，采用单一吸附分离过程即可同时获得两种高纯度产品氧气与氮气，满足航空呼吸用氧要求。装置系统可高度集成，体积、重量符合未来航空航天机载氧氮提取的发展方向及机载设备的要求。

Description

一种变温吸附的氧氮联合分离的方法与装置

技术领域

本发明属于混合气体分离技术领域，具体涉及一种通过非深冷工艺来实现原料气体混合物之间分离的方法和装置，特别涉及一种采用变温吸附分离体系从含有多种气体组分的混合物中回收其中至少一种以上的产品气体的方法和装置，更典型的，涉及一种从空气中同时分离出氧气和氮气的分离方法与装置。

背景技术

氧气与氮气作为基础性工业气体有着越来越重要的应用，在航空、航天领域，氧气的主要用途是呼吸与燃烧，高空状态下人员呼吸、核生化工况下的人员呼吸以及高空应急伞降呼吸用氧，飞行器的富氧或纯氧助燃、应急点火用氧等等都离不开氧气；氮气作为一种理想的惰性气体，无污染，在空气中取之不尽，用之不歇，广泛应用于飞行器燃料油箱、战斗部弹药库的抑燃、防爆，飞行器机舱、引擎等重要部位应急灭火，从导弹制导到仪器仪表的防腐，从操纵动力用氮到减震、蓄压器增压用氮，甚至轮胎的惰性保护等都离不开氮气，在各种飞行器的氧、氮气体应用中，尤其现代民用与作战飞机的氧、氮气体保障格外重要，是飞行保障的重要环节，为保证长时间的续航供氧安全以及油箱等重要目标惰性化处理、机舱氮气灭火等现场用氮以提高飞行安全。飞行器的氧气与氮气保障早已经发展到摒弃传统的气态、液态瓶装气源作为唯一供气源的方法而转向采用机载实时制氧、制氮技术，尤其是联合的制氧、制氮技术(OBOGS/OBIGGS)。

传统上的空气分离技术大都以空气为原料，有代表性的分离技术可分为三大主流技术：深冷法(Cryogenic)、变压吸附法(PSA，VSA，VPSA)、膜分离法(Membrane Separation)。

迄今为止，低温精馏工艺技术仍然是工业上空气分离市场的主流，在大规模空气分离领域，具有较低的分离运行成本以及较高的产品气纯度，尽管该技术可以同时兼顾氧气产品与氮气产品甚至氩气产品，形成一种装置多种产品的生产能力，但对于中小型化的空气分离，尤其是移动式装备、机载制氧制氮等特定环境的应用场合没有有效的解决方案。

变压吸附法、膜分离法是深冷工艺的重要补充，这种非深冷空分工艺因其装置体积小巧、更具有灵活性、方便性、投资少、能耗低、自动化程度高、操作简单等一系列优点，可以为用户提供一种相对灵活的现场供气方法，在设备小型化、满足车载、机载安装运营条件方面具有相当的可行性，但美中不足的是，采用变压吸附或膜分离技术进行空气分离时受制于吸附分离材料、膜分离材料的分离特性限制，如吸附剂的选择性不高、膜分离材料的分离系数不高等原因，单一变压吸附分离系统或膜分离系统难以同时获得两种高纯度的产品气体，更难以满足机载OBOGS/OBIGGS气体发生器的使用要求。

众所周知，常见的一种采用碳分子筛(CMS)基于动力学分离机理的变压吸附可从空气中连续提取氮气，同时，从吸附床层中排除的废气往往则是低纯度的富氧气体；典型的，提取95%的氮气的同时，从废气侧排除的富氧气体纯度约33～36%；提取99.9%的氮气的同时，从废气侧排除的富氧气体纯度约28～32%，假设提取纯度更高的氮气，如99.99%的氮气，则废气富氧纯度更低，约为24～26%，显然，从单一PSA制氮过程来说，提取的产物氮气纯度越高，废气侧排除的富氧气体纯度则越低。理论上，即使不管氮气产物流的纯度，采用这种基于动力学分离机制的以碳分子筛为吸附剂的变压吸附装置也难以制取纯度高于80%的富氧气体。因此，很显然，富氧排放侧纯度范围23%～40%的气体因为品质低，难以得到更大的工业化使用，更难以满足机载OBOGS/OBIGGS气体发生器的使用要求。

同样的，还有一种采用以沸石(比如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂，称为ZMS)这种氮吸附剂基于平衡吸附机理的变压吸附制氧从空气中连续提取氧气的方法，主要应用于分离规模不大诸如200TPD以下产量规模的现场供气，与变压吸附制氮不同，采用以碳分子筛(CMS)这种速率型分子筛是基于动力学分离机理的变压吸附方法，而采用以沸石(比如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂)这种氮吸附剂是基于平衡吸附机理的变压吸附方法，它可以自空气中获得88～95.7%的氧气产品，采用改性的具有氧氩分离特性的X型沸石或者采用具有至少两个传质区的多段PSA也能获得纯度高达99.9%的氧气产品，典型的，在变压吸附制氧获得88～95.7%的氧气产品的同时，其废气排放侧的富氮气纯度则非常低下，平均纯度仅在87%左右，显然，这样品质的低纯度气体也使得该产品的应用受到限制，更难以满足机载OBOGS/OBIGGS气体发生器的要求。

膜分离技术是20世纪中期发展起来的一种高新技术，气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的该气体分压差，由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，从而达到气体分离\回收提纯气体的目的。在应用于提纯氧气方面的工业化实践中，随着膜分离材料的研究开发以及流程工艺的突破，迄今为止，有代表性的能应用于空气分离的有机膜分离材料其氧氮分离的α(阿尔法)值大都在2～7之间，可以直接自空气中获得大约60%以下纯度的氧气，采用多级膜分离过程的系统可以获得纯度甚至大于90%的氧气，对膜分离制氮，单级膜分离过程采用氧氮分离的α(阿尔法)值在7左右的膜分离材料可直接自空气中获得大约99.95%以下纯度的氮气。但是，与上述描述的变压吸附技术一样，受制于现有分离材料的分离性能，采用这种技术难以同时获得高纯度的气体，氮气产品受制于90～99.95%，氧气产品则受制于23～90%。

变压吸附技术与膜分离技术特点各有千秋，典型的膜分离过程可简单的将一个混合气流分成两个甚至多个物料流，简单的实现了同时回收多组分气体之间的多种产品气，但遗憾的是迄今为止已商品化了的应用于空气组分膜分离过程的膜分离材料因氧氮分离系数不高，对待分离组分氧与氮之间的选择性较小，因此，一般应用于获取纯度40%左右的富氧气或99.5%以下的较低纯度氮气，超过此纯度目标的空气分离与变压吸附技术的空气分离比较来说，因能源消耗较大、造价相对高昂而未能取得很好的性价比。变压吸附技术则因较高的产品回收率以及广泛的适应性大多应用于较高纯度与需要以较高回收率回收的气体分离过程，但遗憾的是它在提纯高纯度产物流的同时其废气侧难以获得较高纯度的产物流。

为了获得一种替代低温深冷工艺的多产品现场供气方法，众多大学院校、研究单位、企业单位提出了不少方法，如美国专利US772867描述了一种提纯双产物的变压吸附与膜分离技术耦合的分离系统，在其中一个实施例中采用了以氮气吸附剂的变压吸附制氧系统，本来该系统通常可以提纯88～95.7%纯度的富氧气体，废气排除，为了能有效的利用废气，提高废气的纯度，耦合了一个膜分离系统在适当步骤捕集较高纯度的氮气以及废气排放的动能，以实现双产物的回收。但是，这种方法能够实现的产品组分纯度并不高，按照实施例描述的方法，其氧气产品局限于88～95.7%，氮气则局限于95%以下，显然，其应用受到限制。

另外，美国专利US772866还描述了一种自PSA系统通过捕集废气流实现双产物回收的变压吸附分离系统，同上述系统一样，这种方法能够实现的产品组分纯度并不高，按照实施例描述的方法，其氧气产品局限于88～95.7%，氮气则局限于95%～99.9%以下，显然，其应用也受到限制。

又如JP116836/2001日本专利所示揭示了一种气体分离方法和系统，采用了不易吸附第一种主要气体组分(氧气)和容易吸附第二种主要气体组分(氮气)的第一吸附剂(如沸石分子筛)将第一种主要气体组分(氧气)富集成第一产品，又采用了易吸附第一种主要气体组分(氧气)和不易吸附第二种主要气体组分(氮气)的第二吸附剂(如碳分子筛)将第二种主要气体组分(氮气)富集成第二产品，宏观上系统采用了并联的变压吸附系统，针对空气这种混合气体的氧气与氮气组分，可以同时回收。但是，系统因为简单的采用了单级系统，分离不仅受限于采用的吸附剂的分离选择性，而且对这种单一变压吸附系统采用了未加改良的流程，难以实现高纯度的气体组分回收；又比如，针对氧气难以达到99%以上高纯度的产物流，针对氮气难以达到99.999%以上高纯度的产物流；此外，系统并未曾考虑回收或彻底、有效的回收各个变压吸附系统排除的有价值的废气组分与经压缩形成的动能，因此，分立的分离系统的回收率必然低下，难以工业化使用。

关于多级薄膜分离，美国专利US626559公布了一种从气态混合物中分离出一种纯净组分气体的方法和系统，采用了至少三级薄膜构建的分离系统中，在某一级中省略了必要的压缩设备，从而减少了能源消耗，采用商品化氧氮分离薄膜以较少的能源消耗、较低的造价成本以提高混合气提纯过程的至少一种组分作为产品输出的纯度，但是，与上述的情况一样，难以实现高纯度气体的多产物回收。

中国专利CN 101376493A，CN 101412501A新型机载制氧/制氮耦合系统，带压缩泵的新型机载制氧/制氮耦合系统，披露了一种应用于机载环境条件的双产物流分离系统，它主要由分子筛变压吸附制氧系统、中空纤维膜分离制氮系统及其它附件组成，系统充分利用了制氧、制氮方式对入口气流压力的不同要求，应用引射器，将全部或部分制氮系统排放气体予以回收，可同时制取双产物气体：氧气与氮气。该系统可有效地减少对发动机引气量的需求，且结构简单、无任何运动部件、运行可靠、体积小、重量轻，但显然，其采用的技术难以制取符合我国国军标要求的纯度达99.5%的氧气，更难以制取99.99%以上的高纯度氮气。

中国专利CN 1798687A公开了一种产生并提供氧气和氮气的机载系统。该发明的机载系统的气体发生装置采用了包括有机膜分离技术的第一空气分离装置，变压吸附技术的第二空气分离装置，固态电解质分离技术的第三空气分离装置。显然，该专利通过采用三种不同类型的气体分离技术达成了理论上可获得多种不同纯度产物流—高纯度氧气(自固态电解质空气分离装置产生)，中纯度氧气(自变压吸附空气分离装置产生)、低纯度氮气(自有机膜分离技术的空气分离装置产生)，但是，因其采用的技术类型过于复杂，整合应用时难以与机载实际运用环境相适用，更多或者较多的消耗了系统资源，维护性、维护成本也较单一技术类型差。

发明内容

鉴于以上情况，为了以非深冷空分技术手段直接自空气中同时获得氧产品超过97%以上甚至99.5%以上、氮气产品超过99.99%甚至达到99.999%以上的两种高纯度产物流，尤其是满足中国国军标要求的航空呼吸用氧以及飞机用氮气指标的氧氮需求，本发明提供了一种非深冷空分技术的变温吸附分离方法与装置，可以自空气中同时获得高纯度氧气与高纯度氮气，尤其适合于飞行器使用，典型的，如飞机机载环境条件下采用，系统可以较小的体积、重量、较低的制造成本以及较高的能源效率下实现空气组分中氧、氮的高效分离，同时获得氧产品超过97%以上甚至99.5%以上、氮气产品超过99.99%甚至达到99.999%以上的两种高纯度产物流。

本发明所提及的高纯度产物流系指氧产品超过97%以上甚至99.5%以上、氮气产品超过99.99%甚至达到99.999%以上的两种高纯度产物流；

本发明所提及的气体的百分比均为体积百分比；

本发明所提及的吸附分离包括如变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)和变温吸附(Temperature Swing Adsorption，简称TSA)或者多种技术的组合吸附如变温/变压吸附技术，如PTSA(变压-变温吸附)分离方法，VTSA(真空-变温吸附)分离方法；在本发明中，所述变压吸附、吸附分离，PSA、VPSA、VSA等词，本专业的技术人员会承认，这些方法所指不仅是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。并要在更宽广的意义上理解，也就是说，对于周期性循环的吸附压力，所谓一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，包括大于或等于大气压力；而周期性循环的解吸压力，所谓一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，包括小于或等于大气压力。变温吸附也类似。

所说强吸附组分与弱吸附组分，如采用氧吸附剂，则氧气即是强吸附组分，氮气则是弱吸附组分，弱吸附组分是相对强吸附组分而言。

所说吸附塔，也可称为吸附器、吸附床、分离器，是指装填了至少一种如本文所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力。

本发明的方法有别于现有技术的采用多种空气分离技术类型耦合以完成双产物同时回收的方法，更不同于现有技术仅能满足一种高纯度产物流的生产方法，采用现有技术类型耦合仅能生产低纯度的，至少一种纯度不能满足高纯度产物流，如采用变压吸附的耦合技术、膜分离的耦合技术或者采用变压吸附与膜分离的耦合技术，这些耦合的技术都难以直接自空气中同时产生本发明所提及的氧产品超过97%以上甚至99.5%以上、氮气产品超过99.99%甚至达到99.999%以上的两种高纯度产物流。

本发明提出的变温吸附(TSA)联合制氧、制氮方法是这样实现的：

原料空气如公知技术所描述的方法，气体经压缩再由预处理系统除去油、尘埃等固体杂质后达到允许要求后进入分离系统。

1、空气根据吸附剂需要经过加热器或自热源经换热器将空气预热到一个较环境温度更高的操作温度，或直接进入装有某种吸附剂的吸附分离单元；

2、吸附分离单元可由一个或多个装有吸附剂的吸附塔、流体切换阀门与管线组成，空气进入吸附分离单元的某一个吸附塔后，空气中的氧气是强吸附组分被吸附剂优先吸附，氮气是弱吸附组分则穿过该吸附塔富集成为第一产品气被收集，视产品氮气的温度要求经优先但非必要的换热器换热冷却后输出为第一产品气。

3、当该吸附塔内的吸附剂接近吸附饱和时，原料气停止进入该吸附塔，如公知变温、变压吸附技术一样，该吸附饱和的吸附塔可优选但非必要的与其它吸附塔进行一次或多次交换以回收必要的组分(氧气、氮气)、能量(热能、压缩能)后，原料气改切换到另一只已再生好的吸附塔继续吸附产氮，而该已经吸附饱和的吸附塔则在优选但非必要的交换后可根据产品氧气纯度的要求选择性的使用已输出的产品气，即具有更高纯度的强吸附组分(氧气)，由进气端吹扫已吸附饱和的床层置换掉床层内残存的弱吸附组分(如氮气)，然后通过加热器或自热源经换热器将该床层加热到一个较步骤1)所说的另一更高的操作温度，吸附剂将释放强吸附组分(氧气)，可选的以抽真空、或以加热并抽真空将吸附剂床层内吸附的氧气取出作为第二产品气收集，并视产品氧气的温度要求经优先但非必要的换热器换热冷却后输出为第二产品气，与此同时，吸附剂因氧气解吸而获得再生。

4、当该吸附床层升温释放氧气吸附剂因此解吸完毕后，通过对该吸附床层冷却措施将吸附塔温度降至如步骤1)相同的操作温度，并可选择性的进行带弱吸附组分的气体(如富氮气、高纯度氮气)吹扫和充压，准备进入下一循环吸附产气过程。

5、如公知变温吸附技术一样，以循环的方式重复以上步骤。

如上的循环吸附分离过程，吸附分离单元的多个吸附塔在如公知技术描述的控制系统作用下自动切换循环，完成连续产氧、产氮，经此装置可直接自空气中获取氧气产品超过97%以上甚至99.5%以上、氮气产品超过99.99%甚至达到99.999%以上的两种高纯度产物流。 

上面描述的方法中，原料空气可引自飞行器发动机、压气机或者环控系统，典型的，压力如0.1～20bar(表压)，更典型的，压力如3～6bar，本专业的技术人员会了解，飞行器飞行姿态下获得所需要压力的原料空气很容易，甚至可以单独为此设计一个气源接口获得所需压力的原料空气。

所述吸附剂，如已公开专利《201010023049.0 一种X型沸石分离材料及其制备方法》描述的氧吸附剂，一种改性稀土X型沸石，典型的，可在≤100℃以下吸附氧气，并在≥300℃释放氧气。

所述吸附剂，如公知技术的钙钛矿陶瓷氧化物混合体，可在300～600℃以上开始吸附氧气，并在400～600℃以上开始释放氧气。 

上述吸附分离方法中，从吸附饱和的床层置换出的弱吸附组分则视置换程度不同，是一种富氮气，可视最终产品氮气纯度的要求可排除出系统或者作为第一产品气体回收，或者作为中间气体暂时回收而随后用以中间过程升压而回用。

并且，在一个对强吸附组分(氧气)纯度要求不是很高的特例中，使用高纯度强吸附组分(氧气)由进气端吹扫已吸附饱和的床层置换掉床层内残存的弱吸附组分(如氮气)的过程可选择性的不进行或者很少量的进行，同时，加热该吸附床层的能源也可选择性的来自加热该流动的吹扫气体带入床层的热能来使吸附床层升温，并释放氧气产生第二产品气并且使吸附剂获得再生。

并且，所述加热原料空气或吸附剂的能源可优选来自飞行器燃烧产生的废气热能，可优选废气热能经换热后用于原料气体或吸附剂的升温，当然，也可采用额外的各种形式的加热器、换热器来满足吸附剂升温的条件，同时，本专业的技术人员会了解，如上述的变温吸附系统，加热气体也是为了加热吸附剂，所说的加热、换热装置可布置在原料气进入吸附塔之前加热原料气，也可布置在吸附塔内部直接加热吸附剂。

并且，吸附剂冷却时所需要的换热装置也可布置在冷却气体进入吸附塔之前冷却吹扫气进而冷却吸附剂，也可布置在吸附塔内部直接冷却吸附剂，并且，冷却所需要的能量来源优选飞行姿态下获得的低温空气，通过换热来达成冷却目标，所说第一、第二产品气体视产品气体需要的温度不同，冷却方法也优选相同的方法。

上述吸附分离方法中，优选但非必要的将吸附剂吸附的氧气取出的真空设备可采用飞行姿态下取得的压缩空气为驱动动力的气动真空设备，同时，如果所需更高压力的氧气、氮气，同样的可以采用飞行姿态下取得的压缩空气为驱动动力的气动增压设备，这种气动增压设备可轻松的将低压气体压缩至150bar以上，例如至200 bar，350 bar，或者更高压力的高压气体，并可选择性的将氧气、氮气充入随机携带的高压气瓶内备用，而一整套采用备用气瓶与机载设备并以控制相结合的供气方法如公知技术所描述的一样，很容易形成高可靠性的供氧供氮方案。

此外，因为整个的分离过程需要的能量大部分来自于燃烧产生的废气热能，而且，优选但非必要应用各种换热器、热交换器等以回收能量，压缩与真空优选飞行姿态下取得的压缩空气为驱动动力的气动设备，本专业的技术人员会承认，这些有益于进一步改善整个系统的安装体积、能量消耗，优化机载设备的总体资源，尤为可贵的是廉价的利用了废气热能，尽管也可以采用电加热器或消耗其它高品位能源，但应用本发明的方法进行分离显然更为经济，采用上述描述的方法将获得一种前所未有的效益，在机载安装运用条件下，这一有益的发明显得极为必要，尤其是在飞行器上需要大宗气体进行富氧、纯氧助燃等特定条件下，常规技术将难以提供分离所需要的能源消耗，而本发明主要利用废气热能进行制氧，制取的富氧或者纯氧用于燃烧，能源梯次利用，使得本发明的方法显然具有极大的综合优势。

上述变温吸附(TSA)的气体分离方法包括TSA在内的改良的PTSA(变压-变温吸附)分离方法，即上述变温吸附同时可在一定压力下进行，如公知变压吸附技术一样，更高的吸附压力吸附剂具有更高的吸附容量，这将有益于进一步减少吸附剂用量，减小设备重量。

上述变温吸附(TSA)的气体分离方法包括TSA在内的改良的VTSA(真空-变温吸附)分离方法，即上述变温吸附过程吸附剂解吸可在更低的压力下进行，如公知VSA\VPSA变压吸附技术一样，更低的解吸压力典型的，如-10 KPa～-90 KPa，更为典型的，在-30 KPa～-60 KPa进行吸附剂的再生并获得产品氧气，解吸压力更低有助于吸附剂的再生，并提高吸附分离过程的压力比，使得吸附剂具有更高的吸附容量差额，也将有益于进一步减少吸附剂用量，减小设备重量。

上述描述的变温变压吸附方法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，尽管本方法以一个简单的双床层变压变温吸附方法作为范例描述，其中，吸附塔可以是任何要求的构造形式的吸附塔，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，可以是两塔、三塔，甚至多塔，而且每个吸附塔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优化吸附过程。

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。

由本发明的氧氮联合分离的方法以及基于该方法的装置，由如下必要的部件构成，包括：

1、至少包括有两个或两个以上的装填有上述吸附剂的吸附塔；

2、至少有一套加热与冷却吸附塔内吸附剂的加热与换热装置，并且可选择性的安装在吸附塔外部，加热进入吸附剂床层的气体带入热能间接加热吸附剂；

3、至少一套可选择性地向每个吸附塔提供原料气的管线与必要的切换阀门；

4、至少一套可选择性地自每个吸附塔取出产品气的管线与必要的切换阀门；

5、优选但非必要的塔与塔之间进行气体组分与能量回收交换的管线与必要的切换阀门，用以将吸附饱和后吸附塔内的气体动能与热能到另外一个吸附塔；

6、优选但非必要的氧气和氮气产品气缓冲罐，分别连接于氧气输出阀和氮气输出阀；

7、优选但非必要的一套氧气产品气连接至各个吸附塔的进料端的清洗管线与必要的控制阀门；

8、优选但非必要的一套氧气产品气连接至各个吸附塔的进料端的清洗时自出料端排放的管线与必要的控制阀门；

9、优选但非必要的一套氮气产品至各个吸附塔出料端的清洗管线与必要的控制阀门；

10、按照上述方法，一套安装在民用或军用的机载联合制氧、制氮系统(机载OBOGS/OBIGGS联合系统)至少包括：

一套如上述分离方法的分离单元；

a)、至少一套自环控或发动机压气机或其它引气口至分离单元的管线与优选但非必要的过滤等预处理装置；

b)、一套热能来自机载发动机废气热能的换热装置，用以加热吸附分离单元内的吸附剂；

c)、一套风冷冷却装置，低温风源来自飞行姿态下如环控或发动机压气机或其它引气口引入的低温空气；

d)、并且，上述换热与冷却装置可合并成一套可满足吸附剂加热与冷却的装置；

e)、优选但非必要的一套将吸附剂吸附的氧气取出的增强吸附剂解吸的气动真空装置，其驱动力来自自飞行姿态下如环控或发动机压气机或其它引气口引入的压缩空气；

f)、优选但非必要的一套将产品氧气与氮气继续增压至更高压力的气动压缩装置，其驱动力来自飞行姿态下如环控或发动机压气机或其它引气口引入的压缩空气。

本发明具有如下显著特点： 

1、本发明提出的分离方法，采用单一吸附分离过程即可同时获得两种高纯度产品氧气与氮气，尤其是满足我国国军标要求的航空呼吸用氧要求的氧气，而目前，基于常规技术的分子筛制氧一般不能达到如99.5%以上国军标要求的氧气纯度，应用受到一定程度的制约，仅限于低空飞行的氧气补充，而不能作为高空作战要求的氧气保障。

2、本发明提出的分离方法，主要利用热能进行气体分离，与飞行器的应用环境结合可充分的利用燃烧废气的热能，最大限度的节约了分离过程中的能源消耗以及降低了分离所需的能源品质要求，这对于一些大宗气体的分离过程以及能源受限的使用环境具有显著的效益与优势，如采用富氧、纯度助燃的飞行器，常规技术难以达成分离所需的能源与动力配置要求，而本发明的方法因其梯次能源利用方法显然具有绝对的优势。

3、系统可高度集成，与机载运营环境结合，可充分的利用飞行姿态下极易取得的压缩、废气热能以及低温空气冷却等便利条件，无需任何一次动力设备，即可实现机载氧氮一体化联合分离，是真正的OBOGS/OBIGGS联合系统，至目前为止，机载制氧为满足国军标要求的高纯度氧气，一般均需采用变压吸附及膜分离技术的多种技术设备的耦合方法，装置工艺复杂、体积大、能源消耗高，而本专利技术则可高度集成利用机载应用环境的便利条件大大减少集成的难度，降低体积、重量需求，符合未来航空航天机载氧氮提取的发展方向及机载设备的要求。

采用本发明提供的方法或装置，典型的应用是大气层内飞行的飞行器上联合制氧、制氮，可作为一种机载的联合供氧、供氮系统(如机载的OBOGS/OBIGGS联合系统)，同时自空气中提取氧气与氮气为飞行器实时提供氧气与氮气，这些飞行器如各种类型的军用或民用飞机、导弹、火箭、飞艇等在大气层内飞行的各种飞行器。

附图说明

图1是本发明的一种可同时产生高纯度氧气与氮气的空气分离方法与装置。

图2是本发明的一种机载OBOGS/OBIGGS联合制氧、制氮系统装置图示。

图3是本发明的一种机载OBOGS/OBIGGS联合制氧、制氮系统原理图示。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明方法以及以此形成的装置

图1中，1是引自飞行器引擎压气机、环控系统或者其它引气口的压缩空气，即原料空气，可选择性的通过减压阀或节流至3～5 bar，并可选择一个空气预处理装置，即将该原料空气祛除其微粒、杂质等以满足后续分离单元的需要。一般的，该祛除装置将截留大部分微粒性杂质，甚至水分、二氧化碳等，2-1是加热器或换热器，可安装在原料气进入吸附塔之前，优选的可安装在吸附塔A01/A02内部，用以加热吸附剂，使得吸附剂在预定的吸附操作温度下吸附氧气，典型的操作温度如采用稀土沸石作为氧吸附剂，可选择在约≤100℃下吸附氧气，如采用钙钛矿陶瓷氧化物混合体作为氧吸附剂，可在300～600℃以上吸附氧气，如采用加热器，如可用电加热器，如采用换热器，则优选来自飞行器燃烧产生的废气热能换热，V1A，V1B是原料空气连接吸附分离单元的两个吸附塔的切换阀门，空气经该切换阀选择性的进入吸附分离单元的一个吸附塔内，如进入A01吸附塔，则因吸附剂在预定的温度条件下吸附氧气而自出料端富集氮气，经V3A排除出系统进入优选但非必要的氮气产品缓冲罐P1，V01，V03均为优选但非必要的节流阀，分别用于控制产气与输出流量，同样的，V3B是A02吸附塔产氮气时的输出阀门。

当吸附塔A01吸附饱和氧气时，切断V1A供气阀，原料空气停止进入吸附塔，2-1加热器/换热器启动，将吸附床层加热到一个更高的操作温度，如采用的是稀土沸石作为氧吸附剂，可选择在约≥300℃下操作，如采用钙钛矿陶瓷氧化物混合体作为氧吸附剂，可在400～600℃以上操作，达到该温度时，吸附剂将释放氧气，通过V2A释放氧气，并优选但非必要采用一个压缩/真空设备AB01将吸附塔内吸附的氧气抽取至一个优选但非必要的氧气产品缓冲罐P2，该吸附塔因温度升高吸附剂释放氧气而使吸附剂获得再生，典型的，可释放至常压或更低的压力，如常压～-90 KPa(表压)，同样的，V2B是A02吸附塔产氧气时的输出阀门，并且，产氧气时，氮气输出阀V3A关闭。

作为一个优选但非必要的步骤，抽取吸附饱和的氧气之前，可将吸附塔A01/A02进行一次交换，如同时打开V5A/V5B，V3A/V3B，以回收吸附塔A01的热能、压缩能与有价值组分，进一步提高A01内的氧气组分。

还可选择之后进行一个氮气返回的步骤，如通过单独打开V3B将产品氮气返回吸附塔A02，以进一步抑制吸附塔A02刚切换时生产氮气纯度的波动。

此外，因吸附剂床层在切换时床层内残留有部分氮气，即使是经过两塔交换将部分不纯氧气产品引入另一吸附塔，吸附塔内仍然存在不纯的氮气组分，视产品氧气纯度指标的需要，如需要更高纯度的氧气，可选择一个清洗步骤以置换床层内残留的氮气，打开V5C，V5A，将产品氧气引入吸附床层进行一次置换，置换气进入床层的同时，打开置换排气阀V4C，V4A将纯度不高的氮气排除出系统，当然，如果产品氮气纯度要求不高，只要在氮气产品气体纯度指标要求的可接受范围之内，可将该置换排除气体作为产品气经V3A收集作为产品氮气，其中，V5C，V4C均为可控制清洗流量的控制阀，XYQ01则是可选但非必要的作为置换气外排时减小排放噪音的消音装置。

经上述措施后，吸附塔A01吸附的氧气经抽取彻底，已获得充分再生，此时，将通过换热器2-2将吸附塔A01的操作温度降低至吸附剂吸附氧气的操作温度，以准备下一个吸附循环。

按上述循环的方法，同样的，吸附塔A01，A02循环产气，从而连续的生产高纯度氧气与高纯度氮气。

作为一个可选的方法，自产品缓冲罐P1，P2输出的氧气与氮气，可选择的以各种增压方法增压到所需的任何需要的压力，在一个与飞行器结合的应用环境中，优选以压缩空气驱动的气动增压来满足要求，此时，压缩空气可来自飞行器引擎压气机、环控系统或者其它引气口的压缩空气，典型的，选择5～50 bar驱动压力。

图2中，1是引自飞行器引擎压气机、环控系统或者其它引气口的压缩空气，即原料空气，2是可选的预处理、减压装置等，2-1是优选安装在吸附塔内的换热器，其热能来自飞行器废气热能4，2-2是优选安装在吸附塔内的风冷换热器，其冷却风来自飞行姿态下取得的低温空气5，3是上述描述的吸附分离单元包括切换阀门与管线等，6是优选的以气动驱动的压缩/真空设备，产生的氧气自优选但非必要的氧气缓冲罐P2经节流阀V02输出，产生的氮气自优选但非必要的氮气缓冲罐P1经节流阀V01输出，如果需要置换，置换产生的废气则自XYQ01排除到大气，同样的，产品氧气与氮气可选择以各种增压方法增压到所需的任何需要的压力，本示例的与飞行器结合的应用环境中，优选以压缩空气驱动的气动增压来满足要求，压缩空气可来自飞行器引擎压气机、环控系统或者其它引气口的压缩空气。

在一个典型的机载OBOGS/OBIGGS联合供氧、供氮系统实施例中，如图2所示的联合制氧、制氮系统制气原理，一般的供气方法与其它类型的OBOGS，OBIGGS一样，机载制气系统一般均与储气罐(气瓶或储囊)结合供氧、供氮，当需要供氧、供氮时。

氧气瓶组或储囊首先保障供氧并立即启动氧气发生器，两路氧源确保空勤人员的呼吸或其它用氧要求。

氮气瓶组或储囊确保大流量供氮需求，与氮气发生器两路氮源持续维持惰化需求。

原料空气可自飞机发动机压气机(或环控系统)中引气，经简单预处理、稳流稳压，进入吸附器，吸附器内安装了稀土沸石氧吸附剂并预安装换热装置，换热装置所需的热源来自引擎废气热能获得，冷却风取自飞行姿态下的低温空气，制取的氧气经冷却后可直接输出供气或增压结合与氧气瓶组集中送气，制取的氮气经冷却后也可直接输出供气或增压结合与氮气瓶组集中送气，在一个以：

氧气，OEA，纯度≥99.5%，流量≥1～2 L/min；

氮气，NEA，纯度≥99.99%，流量≥1.5 Nm³/h的设计目标为例的OBOGS，OBIGGS联合供氧、供氮系统中，分离用原料气需求≥2 Nm³/h＆3 bar，吸附分离器尺寸与重量仅需Φ300×300 mm，～16 kg，远优于现有OBOGS，OBIGGS联合制氧、制氮系统。

一个改良的OBOGS/OBIGGS联合供氧、供氮系统原理图如图3所示。

Claims (8)

1. 一种变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于具体步骤为：

原料空气经压缩再由预处理系统除去油、尘埃固体杂质后达到允许要求后进入分离系统；

（1）空气根据吸附剂需要经过加热器或自热源经换热器将空气预热到一个较环境温度更高的操作温度，或直接进入装有特种吸附剂的吸附分离单元；

（2）吸附分离单元由多个装有吸附剂的吸附塔、流体切换阀门与管线组成，空气进入吸附分离单元的某一个吸附塔后，空气中的氧气是强吸附组分被吸附剂优先吸附，氮气是弱吸附组分则穿过该吸附塔富集成为第一产品气被收集，视产品氮气的温度要求经换热器换热冷却后，输出为第一产品气；

（3）当该吸附塔内的吸附剂接近吸附饱和时，原料气停止进入该吸附塔，该吸附饱和的吸附塔与其它吸附塔进行一次或多次交换以回收必要的组分、能量后，原料气切换到另一个已再生好的吸附塔继续吸附产氮，而该已经吸附饱和的吸附塔则在交换后根据产品氧气纯度的要求选择性的使用已输出的产品气，即具有更高纯度的强吸附组分，由进气端吹扫已吸附饱和的床层置换掉床层内残存的弱吸附组分，然后通过加热器或自热源经换热器将该床层加热到一个较步骤（1）所说的另一更高的操作温度，吸附剂将释放强吸附组分，以抽真空、或以加热并抽真空将吸附剂床层内吸附的氧气取出作为第二产品气收集，并视产品氧气的温度要求经换热器换热冷却后输出，为第二产品气，与此同时，吸附剂因氧气解吸而获得再生；

（4）当该吸附床层升温释放氧气吸附剂因此解吸完毕后，通过对该吸附床层冷却措施将吸附塔温度降至如步骤（1）相同的操作温度，并选择性的进行带弱吸附组分的气体吹扫和充压，准备进入下一循环吸附产气过程；

（5）以循环的方式重复以上步骤；

获取的氧气产品纯度超过97%，氮气产品纯度超过99.99%；气体百分比均为体积百分比；

所说强吸附组分与弱吸附组分，采用氧吸附剂，则氧气即是强吸附组分，氮气则是弱吸附组分，弱吸附组分是相对强吸附组分而言；

所说吸附塔，是指装填了至少一种吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力；

所述吸附剂为一种改性稀土X型沸石，在≤100℃以下吸附氧气，并在≥300℃释放氧气。

2. 根据权利要求1所述的变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于使用高纯度强吸附组分氧气由进气端吹扫已吸附饱和的床层置换掉床层内残存的弱吸附组分氮气的过程可选择性的不进行或少量进行；同时，加热该吸附床层的能源也来自加热该流动的吹扫气体带入床层的热能来使吸附床层升温，并释放氧气产生第二产品气且使吸附剂获得再生。

3. 根据权利要求1所述的变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于所述加热原料空气或吸附剂的能源来自飞行器燃烧产生的废气热能，或者采用额外的各种形式的加热器、换热器来使原料空气或吸附剂升温。

4. 根据权利要求3所述的变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于所说的加热器、换热器布置在原料气进入吸附塔之前加热原料气，或布置在吸附塔内部直接加热吸附剂。

5. 根据权利要求1所述的变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于吸附剂冷却时所需要的换热器也布置在冷却气体进入吸附塔之前冷却吹扫气进而冷却吸附剂，或者布置在吸附塔内部直接冷却吸附剂。

6. 根据权利要求1所述的变温吸附的氧氮联合分离的方法，其特征在于将吸附剂吸附的氧气取出的真空设备采用飞行姿态下取得的压缩空气为驱动动力的气动真空设备；同时，如果所需更高压力的氧气、氮气，同样采用飞行姿态下取得的压缩空气为驱动动力的气动增压设备，这种气动增压设备可将低压气体压缩至150bar以上，并将氧气、氮气充入随机携带的高压气瓶内备用。

7. 一种变温吸附的氧氮联合分离的装置，其特征在于包括：

1）至少两个或两个以上的装填有吸附剂的吸附塔；

2）至少一套加热与冷却吸附塔内吸附剂的加热与换热装置，并且可选择性的安装在吸附塔外部，加热进入吸附剂床层的气体带入热能间接加热吸附剂；

3）至少一套向每个吸附塔提供原料气的管线与切换阀门；

4）至少一套自每个吸附塔取出产品气的管线与切换阀门；

5）吸附塔与吸附塔之间进行气体组分与能量回收交换的管线与切换阀门，用以将吸附饱和后吸附塔内的气体动能与热能输送到另外一个吸附塔；

6）氧气和氮气产品气缓冲罐，分别连接于氧气输出阀和氮气输出阀；

7）一套氧气产品气连接至各个吸附塔的进料端的清洗管线与控制阀门；

8）一套氧气产品气连接至各个吸附塔的进料端的清洗时自出料端排放的管线与控制阀门；

9）一套氮气产品至各个吸附塔出料端的清洗管线与控制阀门。

8. 根据权利要求7所示的变温吸附的氧氮联合分离的装置，其特征在于还包括：一套安装在民用或军用的机载联合制氧、制氮系统，该系统包括：

a)至少一套自环控或发动机压气机或其它引气口至分离单元的管线与过滤预处理装置；

b)一套热能来自机载发动机废气热能的换热装置，用以加热吸附分离单元内的吸附剂；

c)一套风冷冷却装置，低温风源来自飞行姿态下由环控或发动机压气机或其它引气口引入的低温空气；

d)并且，上述换热与冷却装置合并成一套可满足吸附剂加热与冷却的装置；

e)一套将吸附剂吸附的氧气取出的增强吸附剂解吸的气动真空装置，其驱动力来自自飞行姿态下由环控或发动机压气机或其它引气口引入的压缩空气；

f)一套将产品氧气与氮气继续增压至更高压力的气动压缩装置，其驱动力来自飞行姿态下由环控或发动机压气机或其它引气口引入的压缩空气。

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