CN1103601A - 气体分离 - Google Patents

Abstract

在PSA设备的清洗阶段，监测所排出的废气，以 确定其中所含清洗气体是否已达预定的体积，然后中 止清洗过程。

Description

本发明涉及从含产物气的原料气混合物中制备该产物气体的方法及设备。具体地讲，本发明涉及利用压力回转吸附（Pressure        swing        adsorption）（PSA）技术从空气中制备氧的方法和设备。

众所周知，用吸附剂可从空气中分离氧，所用吸附剂对氮的吸附力大于氧，因而具有分离空气中的两种主要气体成分的能力。天然存在的沸石可以优先于氧而选择性地吸附空气中的氮和其它成分。人工沸石可进一步增强这种选择性，使得通过PSA技术所制备的氧的纯度达93%或更高。

在操作中，吸附床被置于包括吸附步骤和解吸附步骤的循环中。在吸附过程中，空气靠压力泵入，通过吸附床，原料气中大部分氮及部分氧和几乎全部的二氧化碳和水蒸汽都被吸附，由吸附床的出口可得到富氧的产物气体;在解吸附过程中，吸附床的出口被关闭，吸附床通常由其进口排空进入大气和/或通过其进口进行抽空，以使被吸附的气体基本上被从该吸附床中除去，使得该床可以用于下一个吸附步骤。

实际上，通常使用两个吸附床，这两个吸附床以相同的循环周期进行工作，而其位相顺序相反，相互间相差180℃，这样当一个吸附床处于吸附工作状态时，另一个吸附床就处于解吸附的工作状态，反之亦如此。在只有吸附和解吸附步骤的简单过程中制备氧的效率是很低的。为了提高产物气体的纯度和分离的效率，常引入附加步骤，这些附加步骤之一可以是清洗（purge）步骤，在该步骤中，经吸附床吸附的产物纯气体被从吸附床转移至解吸附床的顶部，被称作氧富集的气体在解吸附床上清洗或置换其上的氮。

然而，在再生时利用清洗步骤降低床内分压的任何PSA方法都会遇到因多种可能的因素产生的不平衡问题，所述因素包括如：各床中吸附剂的重量和质量差异、各床的不同压力和不同的限制等。使床达到平衡的难度是费时，且只是在调节时才是适当的。外部气压条件的变化可导致工作设备偏离其最佳参数状态。

本发明的一个目标就是改善已知生产氧的PSA设备，使其可以不同的生产速率使用最佳的清洗，而不须顾及外部的或操作条件变化，这样，再生就可根据其具体的再生要求而在各床进行。

本发明的一个方面是提供由含有产物气体的原料气体混合物制备产物气体的方法，它包括重复进行包括下述步骤的操作循环：

a）使原料气体混合物与载有吸附剂的吸附床接触，与产物气体相比，该吸附剂至少优先吸附原料气体混合物中的另一种成分;

b）对该吸附床进行解吸附;

c）用清洗气体对该床进行清洗;

d）在清洗阶段，对离开吸附床的气体中所含上述清洗气体是否达预定体积进行检测;及

e）当清洗气体达该预定的体积时停止清洗。

载有吸附物质的吸附床最好有多个，各以相同的循环状态工作，但相互间位相顺序相反，这样，基本上就可连续生产出产物气体。

本发明的另一个方面是提供用压力回转吸附法由含产物气的原料气混合物制备产物气体的设备，它包含有包括吸附床的容器和检测器，所述容器的一端连有第一输入管道，它与靠压力输送的原料混合气源相连通，另有第一排出管道用于从该吸附床上排走解吸附的气体;在或靠近该容器的另一端，连有第二排出管道，为所述产物气体的排出管道，而且还有第二输入管道，为清洗气体的管道，上述的每一根管道都各有一个阀门用以控制流通的气体;所述检测器用以检测清洗气体，当第一排出管道中清洗气体的百分比达到预定的标准时，检测器将信号传送至控制器，后者再将第二输入管道的阀门关闭，进而阻止清洗气体的通过。

上述检测器最好是安置于第一输出管道上的燃料电池（fuel        cell）。

现将本发明的实施方案通过参考所附简图举例加以描述，该图是一个用于从空气中分离氧的PSA设备示意图。

如图所示，用以由空气中制备氧的PSA设备1包括由压缩机（没示出）引出的气体供送管线2，此送气管线2可以与任一个包含装有沸石分子筛吸附剂的吸附床的容器4或6相连接。阀门8置于容器4的底部以利于操作，用它控制容器4与送气管线2的相通与否，同样，阀门10置于容器6的底部，它控制容器6与送气管线2的相通与否。

设备1包括富氧产物气体的出口管12，其上置有阀门14。阀门16和18分别置于容器4和容器6的顶部，用以控制容器4和容器6与管道12的相通与否。管道12伸向氧接收装置（未示出）。

设备1包括废气和清洗气体的排出管道20。阀门22置于容器4的底部以控制其与管道20的相通与否。同样，阀门24置于容器6的底部以控制其与管道20的相通与否。

管道28连接于容器4和6的上端，阀门30用于控制所述容器4和6间的气流通过管道28。

管道20置有一快速响应分析器敏感元件（fast        response        analyser        sensing        head），例如燃料电池用以检测通过管道20的氧的体积百分比。所述燃料电池32是这样装置的，在操作中它可以分析通过管道20的气体，并释放信号至控制器34，此控制器34与阀门30相连，以控制该流经管道28（见下述）的清洗气体的通过与否。

实用中，在循环操作的开始，容器4的内部充以由压缩机（未示出）输送的原料空气，由打开的阀门8经管道2进入压力容器4的底部。氮被沸石吸附床吸附而富氧的产物气体经阀门16离开容器4进入管道12;再经阀门14进入例如氧接收器（未示出）。

当容器4中的沸石处在吸附阶段时，容器6中的沸石正处在解吸附的阶段，此时容器6的底部经打开的阀门24和管道20与大气相通。这样，残存的未被吸附的气体被排掉，吸附的气体-主要是氮，被解吸附并也被排掉。

在这个阶段中，连续的受控的清洗气流过阀门30，则富氧的产物气体由容器4，经管道28和打开的阀门30流入容器6的顶部，此清洗气流将向下流过容器6，经打开的阀门24进入管道20进而通向大气中。氧清洗气流在容器6内置换解吸附床上的氮，该清洗步骤将一直持续至燃料电池32检测到的流经管道20的清洗气流中氧的体积百分含量达到预定的水平时止。一旦达预定水平，燃料电池32将会把信号传给控制器34，后者会自动关掉阀门30，中止清洗气流通过管道28。

容器4和6中的沸石在制备/清洗阶段后将经历一平衡阶段，此时富氧空气将由压力较高的床4经阀门16和18移至床6，然后该沸石将转换作用，原料空气借助压力将流过送气管线2并经打开的阀门10直接进入容器6的底部。富氧的产物气体由打开的阀门18离开容器6并沿管道12和打开的阀门14进入氧接受容器。

当容器6中的沸石处在吸附阶段时，容器4中的沸石将通过打开阀门22而被解吸附，这样，没被吸附的氧和被吸附的氮由打开的阀门22和管道20离开容器4的底部，连续的受控的清洗气流从容器6流经管道28和打开的阀门30，进而进入容器4的顶部，该清洗气流将由容器6向下流经打开的阀门22进入管道20，进而进入大气。

如前所述，氧清洗气流在容器4的解吸附床上置换氮，此清洗阶段将一直持续至燃料电池32检测到通过管道20的清洗气流中氧的体积百分含量已经达到预定的标准时止。一旦达到该标准，燃料电池32将会传送信号至控制器34，进而关闭阀门30。

容器4和6中的压力在上述清洗阶段后，将再次通过打开阀门16和18来平衡，这样，容器6中的较高压力气体就流进容器4的顶部。

显然在上述实施方案中，应用分析器敏感元件监测流经管道20的清洗气体何时达预定标准，可以避免任何富氧清洗气体的过度浪费。

此外，平衡各吸附床所遇到的操作困难和费时问题，可以得到避免。

我们还发现当应用极限/负荷跟踪（turndown/Load        following）体系时，对节能很有利（产物移出的减少导致所需清洗气体的减少，进而减小能耗）。

尽管已提到PSA设备中废气和清洗气体被排放至大气中，但可以用本身已知的方法安装与管道20相连的真空泵。

Claims (7)

1、一种由含产物气的原料气混合物制备该产物气体的方法，它包括重复进行包含下列步骤的操作循环：

a)使原料气混合物与载有吸附剂的吸附床相接触，与产物气体相比，该吸附剂至少对原料气体混合物中的另一种成分优先吸附；

b)对该吸附床进行解吸附；

c)以清洗气体对该吸附床进行清洗处理；

d)在清洗阶段，对离开吸附床的气体中所含上述清洗气体是否达预定体积进行检测；及

e)当清洗气体达到预定体积时，中止清洗过程。

2、如权利要求1所述的方法，其中载有吸附物质的吸附床最好有多个，各吸附床以相同循环状态工作，但其相互间位相顺序相反，这样可基本上连续生产出产物气体。

3、如权利要求1或2中所述的方法，其中原料气体混合物是空气，而产物气体是氧。

4、利用压力回转吸附技术由含产物气的原料气混合物制备该产物气体的设备，包含有包括吸附床的容器和检测器，所述容器的一端连有第一输入管道与由压力输送的原料混合气源相通，并有用于从吸附床上排掉解吸附气体的第一排出管道;在容器的另一端或其相邻区域有一用于所述产物气体的第二排出管道和一用于清洗气体的输入管道，上述各管道都有一阀门用以控制气流通过，所述检测器用于检测清洗气体，当第一排出管道中的清洗气体的百分比达到一预定标准时，此检测装置就将信号传送至控制器，后者再关掉与第二输入管相连接的阀门，进而阻止清洗气流的通过。

5、如权利要求4所述的装置，其中检测器是一个置于第一排出管中的燃料电池。

6、基本上如前所述的由含所述产物气体的原料气体混合物制备产物气体的方法。

7、基本上如前所述并参考所附简图的由含所述产物气的原料气体混合物制备产物气体的设备。

Images