CN104058371A - 变压吸附制气系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种变压吸附制气系统，包括：供气装置，所述供气装置用于提供原料空气；与所述供气装置相连的鼓风机；进气口通过第一进气阀与所述鼓风机相连的第一吸附装置，所述第一吸附装置设置有第一产品气出气口和抽真空气口；通过抽真空阀与所述第一吸附装置的抽真空气口相连的真空泵；进气口通过第二进气阀与所述真空泵相连的第二吸附装置，所述第二吸附装置设置有第二产品气出气口。相应的，本申请还提供了一种变压吸附制气方法。本申请可将制氮部分的鼓风机由制氧部分的真空泵来代替，同时将制氧部分的富氮废气加以利用，不但能同时生产氧气和氮气，而且提高了经济效益，具备设备投资低、能耗省和环境友好的特点。

Description

变压吸附制气系统及其方法

技术领域

本申请涉及变压吸附技术领域，特别涉及一种变压吸附制气系统及其方法。

背景技术

空气分离简称空分，是利用空气中各组分物理性质的不同，采用深度冷冻、吸附和膜分离等方法，从空气中分离出氧气、氮气或稀有气体的过程。其中，空气分离吸附装置的应用日益广泛。变压吸附(Pressure SwingAbsorption，简称PSA)是加压和减压相结合的方法，它通常采用由加压吸附、减压解吸组成的吸附-解吸系统。具体的，在等温的情况下，利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。在加压过程中，专用的吸附剂对空气中吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，外界无需供给热量便可进行吸附剂的再生。

真空变压吸附(Vacuum Pressure Swing Absorption，简称VPSA)属于变压吸附，是利用抽真空的方法，降低被吸附组分的分压，使被吸附的组分在负压下解吸出来。在工业上，VPSA制氧或制氮是利用VPSA专用分子筛，选择性吸附空气中的氧气或者氮气、二氧化碳和水等杂质，在抽真空的条件下对所述分子筛进行解吸，从而循环制得纯度较高(纯度为90％～95％)的氧气或氮气。图1为现有VPSA制气系统的结构示意图，其中，1为供气装置，2为鼓风机，3为第一吸附塔，4为第二吸附塔，5为真空泵。以VPSA制氧为例，制气系统主要由供气装置1、鼓风机2、真空泵5、第一吸附塔3、第二吸附塔4、氧气平衡罐(未在图1中显示)和各个切换阀等组成，制氧流程包括：供气装置1提供原料空气，原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后，被鼓风机2增压至0.03MPa～0.05MPa，进入第一吸附塔3内，吸附塔内装填有吸附剂，原料空气中的水分、二氧化碳及少量其他气体组分在吸附塔入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附，随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附，而氧气(包括氩气)为非吸附组分，则从第一吸附塔3顶部出口作为产品气被排至氧气平衡罐。当第一吸附塔3吸附到一定程度，其中的吸附剂将达到饱和状态，此时，通过切换阀利用真空泵5对之进行与吸附方向相反的抽真空，真空度为0.35barg～0.75barg，已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其他气体组分被抽出并排至大气，吸附剂即得到再生。VPSA的第一吸附塔3和第二吸附塔4都交替执行吸附、解吸的工艺步骤，这两个基本的工艺步骤均由计算机控制的切换阀组来实现自动控制。

变压吸附技术在石油、化工、冶金、国防、医疗和环境保护等方面得到了广泛的应用，与其他气体分离技术相比，变压吸附技术具有以下优点：

①低能耗。变压吸附工艺适用的压力范围较广，一些有压气源可以省去再次加压的能耗；变压吸附在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗。

②产品纯度较高，且可灵活调节。如变压吸附制氧的产品纯度可达95.4％，并可根据工艺条件的变化，在较大范围内任意调节产品氧的纯度。

③工艺流程简单，可实现多种气体的分离，对水、硫化物、氨和烃类等杂质有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序。

④装置由计算机控制，自动化程度高，操作方便，可实现全自动操作。

⑤装置调节能力强，操作弹性大。变压吸附装置稍加调节就可以改变生产负荷，而且在不同负荷下生产时，产品质量可以保持不变，仅回收率稍有变化。变压吸附装置对原料气中杂质含量和压力等条件的改变也有很强的适应能力，调节范围很宽。

⑥投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高。

⑦吸附剂使用周期长。一般可以使用10年以上。

⑧装置可靠性高。变压吸附装置通常只有程序控制阀是运动部件，其使用寿命长，故障率极低，而且计算机控制系统应用可具有故障自动诊断、吸附塔自动切换等功能，使装置的可靠性进一步提高。

⑨环境效益好。除因原料气的特性外，变压吸附装置的运行不会造成新的环境污染，几乎无“三废”产生。

但是，目前变压吸附工艺只能单独生产氧气或者氮气，两者不能同时生产。

发明内容

为了解决以上技术问题，本申请提供一种变压吸附制气系统及其方法，本申请能同时生产氧气和氮气，并且具备设备投资低、能耗少和环境友好的特点，经济效益较高。

本申请提供一种变压吸附制气系统，包括：

供气装置，所述供气装置用于提供原料空气；

与所述供气装置相连的鼓风机；

进气口通过第一进气阀与所述鼓风机相连的第一吸附装置，所述第一吸附装置设置有第一产品气出气口和抽真空气口；

通过抽真空阀与所述第一吸附装置的抽真空气口相连的真空泵；

进气口通过第二进气阀与所述真空泵相连的第二吸附装置，所述第二吸附装置设置有第二产品气出气口。

优选的，所述第一吸附装置包括：

进气口A通过进气阀A与所述鼓风机相连的吸附塔A，所述吸附塔A设置有产品气出气口A和抽真空气口A；

进气口B通过进气阀B与所述鼓风机相连的吸附塔B，所述吸附塔B设置有产品气出气口B和抽真空气口B；

所述吸附塔A的产品气出气口A和吸附塔B的产品气出气口B分别通过上第一均压管路、第一冲洗管路相连。

优选的，在所述鼓风机与第一吸附装置之间，还包括与所述鼓风机相连的第一换热装置，所述第一换热装置与第一冲洗管路相连。

优选的，还包括与所述第一换热装置相连的气柜，所述气柜通过进气阀A与吸附塔A的进气口A相连，且通过进气阀B与吸附塔B的进气口B相连。

优选的，所述吸附塔A设置有自然补风口A，所述吸附塔B设置有自然补风口B。

优选的，所述第二吸附装置包括：

进气口C通过进气阀C与所述真空泵相连的吸附塔C，所述吸附塔C设置有产品气出气口C；

进气口D通过进气阀D与所述真空泵相连的吸附塔D，所述吸附塔D设置有产品气出气口D；

所述吸附塔C的产品气出气口C和吸附塔D的产品气出气口D分别通过上第二均压管路、第二冲洗管路相连。

本申请还提供一种变压吸附制气的方法，包括以下步骤：

1)将原料空气增压后，利用吸附剂进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

2)将所述步骤1)吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

3)将所述步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

优选的，具体包括以下步骤：

1)将原料空气经过鼓风机增压后，利用吸附剂在吸附塔A进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

同时，对装填有所述吸附剂的吸附塔B抽真空，得到有压力的废气；

2)将所述步骤1)吸附塔A中吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

同时，将原料空气经过所述鼓风机增压后，利用所述吸附剂在吸附塔B进行吸附，得到第一产品气；

所述步骤1)和步骤2)周期性交替进行；

3)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

优选的，所述步骤1)中，在吸附塔A吸附末期，将部分第一产品气通过第一换热装置吸收所述鼓风机的压缩热，再对正在抽真空的吸附塔B进行冲洗。

优选的，所述步骤3)具体为：

31)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛在吸附塔C进行吸附，得到第二产品气；

同时，对装填有所述分子筛的吸附塔D进行解吸；

32)将所述步骤31)吸附塔C中吸附后的分子筛进行解吸；

同时，将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用所述分子筛在吸附塔D进行吸附，得到第二产品气；

所述步骤31)和步骤32)周期性交替进行。

与现有技术相比，本申请提供的变压吸附制气系统主要由供气装置、鼓风机、第一吸附装置、真空泵和第二吸附装置构成。本申请将原料空气首先通过第一吸附装置，吸附制备第一产品气如氧气，而解吸得到富含氮气的废气；然后采用制氧部分的真空泵替代制氮部分的鼓风机，使废气增压，并通过第二吸附装置进行吸附，得到第二产品气氮气。本申请可将制氮部分的鼓风机由制氧部分的真空泵来代替，同时将制氧部分的富氮废气加以利用，由于本申请采用联合供气，充分利用系统余能，对变压吸附制气流程进行了优化和改善，不但能同时生产氧气和氮气，而且提高了经济效益，具备设备投资低、能耗省和环境友好的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有VPSA制气系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的变压吸附制气系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的变压吸附制气系统的部分阀门的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供了一种变压吸附制气系统，包括：

供气装置，所述供气装置用于提供原料空气；

与所述供气装置相连的鼓风机；

进气口通过第一进气阀与所述鼓风机相连的第一吸附装置，所述第一吸附装置设置有第一产品气出气口和抽真空气口；

通过抽真空阀与所述第一吸附装置的抽真空气口相连的真空泵；

进气口通过第二进气阀与所述真空泵相连的第二吸附装置，所述第二吸附装置设置有第二产品气出气口。

本申请提供的变压吸附制气系统主要由供气装置、鼓风机、第一吸附装置、真空泵和第二吸附装置构成。本申请可将制氮部分的鼓风机由制氧部分的真空泵来代替，同时将制氧部分的富氮废气加以利用，由于本申请采用联合供气，充分利用系统余能，对变压吸附制气流程进行了优化和改善，不但能同时生产氧气和氮气，而且提高了经济效益，具备设备投资低、能耗省和环境友好的特点。

参见图2，图2为本申请实施例提供的变压吸附制气系统的结构示意图。图2中，1为供气装置，2为鼓风机，3为第一换热器，4为气柜，5为吸附塔A，6为吸附塔B，7为真空泵，8为第二换热器，9为缓冲罐，10为吸附塔C，11为吸附塔D。

本申请提供的变压吸附制气系统包括供气装置1，其用于提供原料空气。所述原料空气优选经过滤除去机械杂质，由供气装置供给。本发明对所述供气装置的结构或类型等没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的供气装置即可。

所述变压吸附制气系统包括鼓风机2，其与供气装置1相连。供气装置1供给的原料空气经过鼓风机2进行增压，所述压力可以增至35kPa～50kPa，优选为40kPa～45kPa。所述鼓风机为本领域常用的装置，优选为离心鼓风机，本申请可以采用鼓风机组进行增压。

由于降低空气温度利于产品气的吸附、分离，所述变压吸附制气系统优选还包括第一换热装置，其与鼓风机2相连，通过换热使增压后的空气冷却。在本申请的实施例中，所述第一换热装置为第一换热器3，优选为板式换热器。

为了充分利用系统余能，所述变压吸附制气系统优选还包括气柜4，其与所述第一换热装置相连，且与吸附装置相连。冷却后的空气首先进入气柜4，然后从其下部进入吸附装置。本申请对所述气柜没有特殊限制，采用能起到吸收多余空气并再充压的气柜装置即可，如囊式蓄能器，可以暂时储存空气。

本申请提供的变压吸附制气系统包括第一吸附装置，其进气口通过第一进气阀与所述鼓风机相连，且设置有第一产品气出气口和抽真空气口。在本申请的实施例中，所述进气口和抽真空气口位于第一吸附装置的底部，所述第一产品气出气口位于其顶部，本申请对各气口没有特殊限制。所述第一吸附装置装填有氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂，以装填有氮气选择性吸附剂为例，增压后的空气进入第一吸附装置，空气中的水分、二氧化碳和氮气被吸附，而氧气则作为产品气放出，其纯度在85％以上。本申请对所述第一吸附装置没有特殊限制，采用本领域常用的吸附塔等装置即可。所述氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂均为本领域技术人员熟知的吸附剂，如活性氧化铝、沸石分子筛和碳分子筛及其组合等。

具体的，所述第一吸附装置优选包括：

进气口A通过进气阀A与所述鼓风机相连的吸附塔A，所述吸附塔A设置有产品气出气口A和抽真空气口A；

进气口B通过进气阀B与所述鼓风机相连的吸附塔B，所述吸附塔B设置有产品气出气口B和抽真空气口B；

所述吸附塔A的产品气出气口A和吸附塔B的产品气出气口B分别通过上第一均压管路、第一冲洗管路相连。

在本申请的实施例中，吸附塔A5和吸附塔B6每个吸附器交替进行吸附-解吸的步骤，在同一时刻两台吸附塔分别处于不同的操作阶段，保证较高的制气效率。另外，吸附塔A5和吸附塔B6的出气口通过第一均压管路相连，在吸附过程结束后，顺着吸附方向，将一塔内的较高压力的部分第一产品气放入已完成再生的压力较低的另一吸附塔，使压力均衡。该过程不仅是均压降压过程，更是回收吸附剂床层死空间中产品气组分的过程，可以保证产品气的充分回收。

在本申请的实施例中，所述第一换热装置与第一冲洗管路相连，可以利用部分第一产品气作为冷却源，在换热器中对原料空气进行冷却，这样无需采用冷却水冷却的方式，节省了水量和能耗。

并且，由于在较高的温度下，第一产品气对吸附剂的解吸效果更好，优选将这部分第一产品气通过第一换热装置吸收鼓风机的压缩热，再对吸附装置进行冲洗，使吸附剂得以彻底再生，这样充分利用了鼓风机无用的压缩热，同时降低了循环水量和相应能耗。

在本申请的实施例中，所述气柜通过进气阀A与吸附塔A的进气口A相连，且通过进气阀B与吸附塔B的进气口B相连，所述气柜能将多余空气吸收，且能与鼓风机共同对吸附装置进行充压。

优选的，所述吸附塔A设置有自然补风口A，所述吸附塔B设置有自然补风口B。本申请优选将空气自然补风至吸附装置进行充压，充分利用了真空能。

本申请提供的变压吸附制气系统包括真空泵7，其通过抽真空阀与所述第一吸附装置的抽真空气口相连，对吸附装置抽真空，使吸附后的吸附剂解吸而再生，并得到废气。本申请对所述真空泵没有特殊限制，优选为水环式真空泵，并可以采用真空泵机组进行抽真空。

上述设备周期性重复工作、切换，能平稳连续地产出第一产品气，各设备的切换是依靠气动蝶阀的开或关来实现的。

所述变压吸附制气系统包括第二吸附装置，其进气口通过第二进气阀与真空泵7相连，且设置有第二产品气出气口。在本申请的实施例中，所述进气口位于第二吸附装置的底部，所述第二产品气出气口位于其顶部，本申请对各气口没有特殊限制。所述第二吸附装置装填有分子筛，以其作为制氮部分为例，由于若干台真空泵7持续不断的抽气，且气体含氮量在90％以上，由这些真空泵将废氮气加压后送入第二吸附装置，在分子筛中进行吸附、分离，残存氧被固化到分子筛表面，氮气以气态形式离开，作为产品气产出。本申请对所述第二吸附装置没有特殊限制，采用本领域常用的吸附塔等装置即可。所述分子筛为本领域技术人员熟知的吸附剂，本申请对此也没有特殊限制。

本申请利用真空泵作为制氮部分的动力设备，可以省去制氮部分需要的鼓风机；并且，本申请利用制氧部分的富氮废气作为制氮部分的原料气，采用富氮废气可以减少分子筛吸附剂的装填量，因此，本申请在同时生产氧气和氮气的情况下，能减少大量的设备投资和用地，也改善了制氮部分的工作环境。

在吸附阶段，温度越低，产品气在吸附塔中的吸附、分离效果越好。在所述第二吸附装置之前，所述变压吸附制气系统优选还包括第二换热装置，其与真空泵7相连，通过换热使有压力的废气冷却。在本申请的实施例中，所述第二换热装置为第二换热器8，优选为板式换热器。

为了充分利用系统余能，所述变压吸附制气系统优选还包括缓冲罐9，其与所述第二换热装置相连，且与吸附装置相连。冷却后的废气首先进入缓冲罐9，然后从其下部进入吸附装置。本申请对所述缓冲罐没有特殊限制，采用能起到吸收多余废气并再充压的缓冲装置即可，进入吸附装置的废气的压力可以缓冲调节至35kPa～50kPa，优选为40kPa～45kPa。

为了使系统连续高效地产出第二产品气，所述第二吸附装置优选包括：

进气口C通过进气阀C与所述真空泵相连的吸附塔C，所述吸附塔C设置有产品气出气口C；

进气口D通过进气阀D与所述真空泵相连的吸附塔D，所述吸附塔D设置有产品气出气口D；

所述吸附塔C的产品气出气口C和吸附塔D的产品气出气口D分别通过上第二均压管路、第二冲洗管路相连。

在本申请的实施例中，吸附塔C10和吸附塔D11每个吸附器交替进行吸附-解吸的步骤，在同一时刻两台吸附塔分别处于不同的操作阶段，保证较高的制气效率。另外，需要说明的是，所述第二换热装置、第二均压管路和第二冲洗管路与前文所述的第一部分的设置和作用相似。

上述设备周期性工作切换，能平稳连续地产出第二产品气，各设备的切换也是靠气动蝶阀的开或关来实现的。

参见图3，图3为本申请实施例提供的变压吸附制气系统的部分阀门的示意图。在图3中，1为进气阀A(简称进1)，2为进气阀B(简称进2)，3为产品气出气阀A(简称出1)，4为产品气出气阀B(简称出2)，5为抽真空阀A(简称真1)，6为抽真空阀B(简称真2)，7为上均压阀(简称均1)，8为下均压阀A(简称均2)，9为下均压阀B(简称均3)，10为冲洗阀A(简称冲1)，11为冲洗阀B(简称冲1)，12为旁路阀(简称旁1)。在本申请中，各个切换阀由计算机控制，将预先定好的阀门切换时间编程，输入控制器PLC，PLC输出电信号控制换向电磁阀，通过电磁阀换向，由压缩空气推动气动蝶阀的气缸，或者由液压油推动程控阀，从而使蝶阀开启或关闭。

相应的，本申请还提供了一种变压吸附制气的方法，包括以下步骤：

1)将原料空气增压后，利用吸附剂进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

2)将所述步骤1)吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

3)将所述步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

本申请采用联合供气，充分利用系统余能，对变压吸附制气流程进行了优化和改善，不但能同时生产氧气和氮气，而且提高了经济效益，具备设备投资低、能耗省和环境友好的特点。

作为优选，所述变压吸附制气方法具体包括以下步骤：

1)将原料空气经过鼓风机增压后，利用吸附剂在吸附塔A进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

同时，对装填有所述吸附剂的吸附塔B抽真空，得到有压力的废气；

2)将所述步骤1)吸附塔A中吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

同时，将原料空气经过所述鼓风机增压后，利用所述吸附剂在吸附塔B进行吸附，得到第一产品气；

所述步骤1)和步骤2)周期性交替进行；

3)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

其中，所述步骤3)优选具体为：

31)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛在吸附塔C进行吸附，得到第二产品气；

同时，对装填有所述分子筛的吸附塔D进行解吸；

32)将所述步骤31)吸附塔C中吸附后的分子筛进行解吸；

同时，将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用所述分子筛在吸附塔D进行吸附，得到第二产品气；

所述步骤31)和步骤32)周期性交替进行。

结合图2，本申请实施例变压吸附制气的具体过程如下：

将原料空气经过滤除去机械杂质，并通过预处理脱硫，由供气装置1供给至下游装置，所述原料空气的流量可为1000Nm³/h～30000Nm³/h；所述原料空气利用鼓风机2增压至35kPa～50kPa，再经过第一换热器3进行冷却，控制温度为30℃～40℃，利于后续吸附阶段产品气的分离。冷却后的原料空气进入气柜4，然后从其下部进入吸附塔A5内，吸附塔A5底部装填有活性氧化铝，且上部装填有3吨～15吨的沸石分子筛，原料空气中的水分(H₂O)、二氧化碳(CO₂)及少量其他气体组分被活性氧化铝所吸附，随后氮气(N₂)被沸石分子筛所吸附，而氧气为非吸附组分，作为产品气从塔顶产出，其纯度大于85％(纯度可通过计算机在70％～95％之间任意设定)。大部分氧气产品气经压力调节后送往下游用户生产系统，如先输出进入产品缓冲罐，再送去用户生产系统；另外，抽取一小部分用于吸附剂再生。

当被吸附杂质的传质去前沿(称为吸附前沿)到达吸附剂床层出口预留段某一位置时，关闭该吸附塔的进气阀和产品气出气阀，停止吸附，则吸附剂床层开始转入再生阶段。

当吸附塔A5处于吸附状态的同时，对装填有上述吸附剂的吸附塔B6通过真空泵7用抽真空的方法进行再生，得到有压力的废气。在吸附塔A5吸附末期，将部分氧气产品气通过第一换热器3吸收鼓风机2的压缩热，再对正在抽真空的吸附塔B6进行冲洗，这样用热流氧气进行富氧(富O₂)冲洗，利于吸附剂彻底再生。在吸附塔A5的吸附过程结束后，顺着吸附方向，将吸附塔A5内的较高压力的富氧气体放入已抽真空完成再生的较低压力的吸附塔B6，进行均压降压，充分回收氧气，提高装置氧收率。在这一阶段，吸附塔A5将会有1秒～2秒的时间切断来自鼓风机2的原料空气，此时由气柜4将多余空气吸收。

在均压降压结束后，为使吸附塔A5中吸附后的吸附剂得到彻底地再生，利用真空泵7逆着吸附方向对所述吸附剂床层抽真空，进一步降低杂质组分的分压，使被吸附的杂质完全解吸，得到有压力的废气。

同时，将原料空气经过鼓风机2进行增压，经冷却后送入吸附塔B6，并且，气柜4共同对吸附塔B6进行充压。此外，在利用鼓风机2对吸附塔B6充压之前，为充分利用真空能，从下均压阀将空气自然补风至吸附塔B6进行充压，充压至-10kPa后，关闭自然补风。吸附塔B6装填有上述吸附剂，在其中进行吸附，得到氧气产品气。

在吸附塔A5的抽真空再生过程完成后，利用吸附塔B6的较高压力的富氧气体对其进行升压，这一过程与上述均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且是回收吸附塔B6的吸附剂床层死空间中氧气的过程。与此同时，利用真空能，打开下均压阀，对吸附塔A5进行空气补充。

在均压升压过程完成后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品气纯度在这一过程中不发生波动，需要采用产品氧气将吸附塔压力升至吸附压力。经过这一过程后，吸附塔A5便完成了一个完整的“吸附-解吸”循环，又为下一次吸附做好了准备。

吸附塔A5和吸附塔B6这两个吸附塔按程序周期性交替工作，即可实现连续分离空气，得到产品气氧气。

在本申请的实施例中，由于若干台真空泵7持续不断的抽气，且气体含氮量在90％以上，由这些真空泵将废氮气加压后送入制氮部分。来自制氧部分的废氮气先经过第二换热器8进行冷却，再进入缓冲罐9，从其下部进入吸附塔C10。所述吸附塔C10装填有分子筛，在其中进行吸附、分离，残存氧被固化到分子筛表面，氮气以气态形式离开，作为产品气产出。

在吸附塔C10处于吸附状态的同时，对装填有所述分子筛的吸附塔D11进行解吸，所述解吸可以为常压解吸，也可以通过抽真空进行。在本申请的实施例中，所述解吸为常压解吸。

在吸附塔C10吸附完毕后，吸附塔D11从解吸再生转为吸附，也就是将制氧部分的废氮气利用所述分子筛，在吸附塔D11进行吸附，得到产品气氮气。此时，吸附塔C10进行泄压、解吸再生。

另外，也采用加热后的少部分纯氮气产品气，送入吸附塔C10进行冲洗、再生。并且，当吸附塔C10经过解吸再生后，由吸附塔D11将部分氮气送入吸附塔C10进行充压。

吸附塔C10和吸附塔D11这两个吸附塔按程序周期性交替工作，即可利用废氮气，平稳连续地产出产品气氮气。

整体来看，本申请通过变压吸附进行制氧和制氮部分联动生产，可首先启动制氧部分，此时将真空泵抽出的废气全部放空；待制氧部分开车正常后，启动制氮部分，制氮部分生产正常后，关闭制氧部分的放空阀，将富氮废气全部作为制氮部分的原料。

在本申请中，可设置完善的连锁保护程序及工艺参数，防止出现欠压或超压的情况，如当制氮部分跳车后，应连锁打开制氧部分真空泵出口的放空阀。另外，本申请的系统也可以单独生产氧气或氮气。当仅制氧部分生产时，真空泵抽取的废气可直接排至大气；当仅制氮部分生产时，真空泵可从大气中抽取空气作为制氮部分的气源。

实践表明，本申请能同时生产氧气和氮气，制氧部分的真空泵可以同时用做制氮部分的压缩机，综合节能可达25％～30％。

进一步的，本申请利用风机的压缩热将再生冲洗气加热，不但节能节水，而且大大改善了吸附剂的活化。

进一步的，制氧部分利用再生完毕的吸附装置的真空能，在-60kPa～-20kPa期间无需鼓风机而自动进行升压补气，节省了鼓风机的能量。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的变压吸附制气系统及方法进行详细描述。

实施例

采用图2所示的变压吸附制气系统，以空气为原料，同时制取氧气和氮气。部分阀门的设置参见图3，制氧生产的工艺步骤和阀门的开关状态参见表1，表1为本申请实施例变压吸附制氧时的工艺步骤和阀门开关状态表。

表1 本申请实施例变压吸附制氧时的工艺步骤和阀门开关状态表

注：On代表阀门开，C代表阀门关。

步骤1：吸附塔A5吸附，吸附塔B6抽真空

开启程控阀进1、出1、放1(未在图3中显示，其为第一吸附装置的放空阀)和真2，关闭旁1和均1。

将原料空气经过滤除去机械杂质，并通过预处理脱硫，由供气装置1供给至下游装置，所述原料空气的流量为20000Nm³/h；所述原料空气利用鼓风机2增压至50kPa，再经过第一换热器3进行冷却，控制温度为40℃。冷却后的原料空气进入气柜4，再经程控阀进1进入吸附塔A5，吸附塔A5底部装填有活性氧化铝，且上部装填有10吨的沸石分子筛，原料空气中的水分、二氧化碳及少量其他气体组分被活性氧化铝所吸附，随后氮气被沸石分子筛所吸附，得到纯度大于85％的氧气，经程控阀出1排出。

当杂质的前锋(即产品气所允许的最大杂质浓度，以下称吸附前沿)上升至接近于吸附剂床层出口时，关闭进1和出1，停止吸附。这时，吸附前沿与吸附剂床层出口间还留有一段未吸附饱和的吸附剂，称为予留段。

同时，装填有相同吸附剂的吸附塔B6经程控阀真2在抽真空，解吸塔内无用气体，并通过真空泵7送入制氮部分，此阶段持续12秒。

步骤2：吸附塔B6升压

在吸附塔A5的吸附过程完成后，开启程控阀均1，将吸附塔A5内较高压力的富含氧量气体放入低压力的吸附塔B6内，直到两塔的压力基本相等为止，关闭程控阀均1，此阶段持续2秒。

步骤3：吸附塔A5抽真空，吸附塔B6升压

开启程控阀旁1和均3，原料空气经均3进入吸附塔B6，使塔内压力迅速上升至吸附压力。

同时，吸附塔A5经程控阀真1在抽真空，解吸塔内无用气体。

并且，开启程控阀冲1和冲2，对吸附塔A5进行冲洗，3秒后关闭。

步骤4：吸附塔B6吸附，吸附塔A5抽真空

开启程控阀进2、出2和真1，关闭旁1和均3。

将原料空气经过滤除去机械杂质，并通过预处理脱硫，由供气装置1供给至下游装置，所述原料空气的流量为20000Nm³/h；所述原料空气利用鼓风机2增压至50kPa，再经过第一换热器3进行冷却，控制温度为40℃。冷却后的原料空气进入气柜4，再经程控阀进2进入吸附塔B6，其中的水分、二氧化碳及少量其他气体组分被活性氧化铝所吸附，随后氮气被沸石分子筛所吸附，得到纯度大于85％的氧气，经程控阀出2排出。

同时，吸附塔A5经程控阀真1在抽真空，解吸塔内无用气体，并通过真空泵7送入制氮部分，此阶段持续12秒。

步骤5：吸附塔A5和B6均压

在吸附塔B6的吸附过程完成后，开启程控阀均1，将吸附塔B6内较高压力的富含氧量气体放入低压力的吸附塔A5内，直到两塔的压力基本相等为止，关闭程控阀均1，此阶段持续2秒。

步骤6：吸附塔B6抽真空，吸附塔A5升压

开启程控阀旁1和均2，原料空气经均2进入吸附塔A5，使塔内压力迅速上升至吸附压力。

同时，吸附塔B6经程控阀真2在抽真空，解吸塔内无用气体，此阶段持续28秒。

并且，开启程控阀冲2，对吸附塔B6进行冲洗，3秒后关闭。

如此循环，吸附塔A5和B6交替进行吸附-解吸，连续地生产产品气氧气。需要说明的是，在表1中，对于冲1和冲2，其在绝大部分时间是关闭状态，仅在冲洗步骤短时间开启，因此表1中一直表示为关闭状态。

制氮部分的流程与制氧部分的流程类似，也包括吸附、解吸、冲洗和均压几个步骤。

由于若干台真空泵7持续不断的抽气，且气体含氮量在90％以上，由这些真空泵将废氮气加压后送入制氮部分。来自制氧部分的废氮气先经过第二换热器8进行冷却，再进入缓冲罐9，控制压力为50kPa，从其下部进入装填有5吨分子筛的吸附塔C10，在其中进行吸附、分离，残存氧被固化到分子筛表面，氮气以气态形式离开，作为产品气产出，纯度大于等于99％。

在吸附塔C10处于吸附状态的同时，对装填有所述分子筛的吸附塔D11进行常压解吸。

在吸附塔C10吸附完毕后，吸附塔D11从解吸再生转为吸附，也就是将制氧部分的废氮气利用所述分子筛，在吸附塔D11进行吸附，得到产品气氮气。此时，吸附塔C10进行泄压、解吸再生。

另外，也采用加热后的少部分纯氮气产品气，送入吸附塔C10进行冲洗、再生。并且，当吸附塔C10经过解吸再生后，由吸附塔D11将部分氮气送入吸附塔C10进行充压。

吸附塔C10和吸附塔D11这两个吸附塔按程序周期性交替工作，平稳连续地产出产品气氮气。

由以上实施例可知，本申请将原料空气首先通过第一吸附装置，吸附制备第一产品气如氧气，而解吸得到富含氮气的废气；然后采用制氧部分的真空泵替代制氮部分的鼓风机，使废气增压，并通过第二吸附装置进行吸附，得到第二产品气氮气。本申请可将制氮部分的鼓风机由制氧部分的真空泵来代替，同时将制氧部分的富氮废气加以利用，由于本申请采用联合供气，充分利用系统余能，对变压吸附制气流程进行了优化和改善，不但能同时生产氧气和氮气，而且提高了经济效益，具备设备投资低、能耗省和环境友好的特点。

Claims (10)

1.一种变压吸附制气系统，包括：

供气装置，所述供气装置用于提供原料空气；

与所述供气装置相连的鼓风机；

进气口通过第一进气阀与所述鼓风机相连的第一吸附装置，所述第一吸附装置设置有第一产品气出气口和抽真空气口；

通过抽真空阀与所述第一吸附装置的抽真空气口相连的真空泵；

进气口通过第二进气阀与所述真空泵相连的第二吸附装置，所述第二吸附装置设置有第二产品气出气口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一吸附装置包括：

进气口A通过进气阀A与所述鼓风机相连的吸附塔A，所述吸附塔A设置有产品气出气口A和抽真空气口A；

进气口B通过进气阀B与所述鼓风机相连的吸附塔B，所述吸附塔B设置有产品气出气口B和抽真空气口B；

所述吸附塔A的产品气出气口A和吸附塔B的产品气出气口B分别通过上第一均压管路、第一冲洗管路相连。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述鼓风机与第一吸附装置之间，还包括与所述鼓风机相连的第一换热装置，所述第一换热装置与第一冲洗管路相连。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括与所述第一换热装置相连的气柜，所述气柜通过进气阀A与吸附塔A的进气口A相连，且通过进气阀B与吸附塔B的进气口B相连。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述吸附塔A设置有自然补风口A，所述吸附塔B设置有自然补风口B。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二吸附装置包括：

进气口C通过进气阀C与所述真空泵相连的吸附塔C，所述吸附塔C设置有产品气出气口C；

进气口D通过进气阀D与所述真空泵相连的吸附塔D，所述吸附塔D设置有产品气出气口D；

所述吸附塔C的产品气出气口C和吸附塔D的产品气出气口D分别通过上第二均压管路、第二冲洗管路相连。

7.一种变压吸附制气的方法，包括以下步骤：

1)将原料空气增压后，利用吸附剂进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

2)将所述步骤1)吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

3)将所述步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)将原料空气经过鼓风机增压后，利用吸附剂在吸附塔A进行吸附，得到第一产品气；所述吸附剂为氮气选择性吸附剂或氧气选择性吸附剂；

同时，对装填有所述吸附剂的吸附塔B抽真空，得到有压力的废气；

2)将所述步骤1)吸附塔A中吸附后的吸附剂通过抽真空进行解吸，得到有压力的废气；

同时，将原料空气经过所述鼓风机增压后，利用所述吸附剂在吸附塔B进行吸附，得到第一产品气；

所述步骤1)和步骤2)周期性交替进行；

3)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛进行吸附，得到第二产品气。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，在吸附塔A吸附末期，将部分第一产品气通过第一换热装置吸收所述鼓风机的压缩热，再对正在抽真空的吸附塔B进行冲洗。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

31)将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用分子筛在吸附塔C进行吸附，得到第二产品气；

同时，对装填有所述分子筛的吸附塔D进行解吸；

32)将所述步骤31)吸附塔C中吸附后的分子筛进行解吸；

同时，将所述步骤1)和步骤2)得到的有压力的废气利用所述分子筛在吸附塔D进行吸附，得到第二产品气；

所述步骤31)和步骤32)周期性交替进行。