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CN110394026A - 大规模变压吸附梯级空气分离装置 - Google Patents

大规模变压吸附梯级空气分离装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大规模变压吸附梯级空气分离装置。空气加压风机出口通过脱水脱二氧化碳吸附塔与径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口相连，塔组出入口均装有程控阀，并在径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口接有减压泵；径向沸石分子筛变压吸附塔组的出口通过程控阀与碳分子筛变压吸附塔组的入口相连，塔组的出口接有减压泵；变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。

Description

大规模变压吸附梯级空气分离装置
1.技术领域
本发明提供大规模变压吸附梯级空气分离装置，属于空气分离技术领域。
2.背景技术
现代煤化工、冶金工业、石油炼制和硫酸工业等生产需要消耗大量的氧气，而对氮气的需求量较小。现有氧气生产方法中，空气分离法是最经济的工业制氧方法。目前，在空气分离领域中，低温精馏法(深冷分离)是传统的制氧方法，变压吸附法和膜分离法是新兴的制氧方法。低温精馏法技术成熟、适宜于大规模生产高压氧气和高压氮气、能够得到高纯度的氧气和氮气，且回收率很高，但氧气和氮气产量比过小，仅有21：78(体积比)，难以满足高耗氧低耗氮的工业过程需要。变压吸附法技术较成熟，适宜于中小规模生产氧气、能够得到中等纯度的低压氧气，氮气低压排出，但由于氩气、氦气和氖气等惰性气体未能分离影响氧气纯度的进一步提高且回收率有待提高。膜分离法技术正在开发，适宜于小和超小规模生产氧气、能够得到低浓度的氧气，投资较高且尚无大规模工业化应用的分离膜。
但对于煤炭富氧燃烧、半焦氧热法制取乙炔、金属氧热还原法冶炼、重油热解气化耦合和硫酸工业等生产过程需要消耗大量的低压氧气，而对氮气的需求量较小，采用深冷分离投资和能耗过大且损失氧气压力势能，急需开发大规模变压吸附法空气分离工艺和装备，满足现代工业对低压高纯度氧气的需求。
3.发明内容
为了克服现有空气变压吸附分离技术存在的不足，本发明的目的是开发一种大规模变压吸附梯级空气分离装置，该装置能够大幅度提高空气变压吸附分离的规模和氧气的纯度，降低高纯氧制取的能耗和大规模制氧的投资以及金属材料的用量。
本发明所采用的装置，利用径向变压吸附塔大幅度提高空气变压吸附分离的规模、降低高纯氧分离能耗，通过沸石分子筛变压吸附塔组选择性吸附氮气、碳分子筛变压吸附塔组选择性吸附氧气的组合措施大幅度降低了氧气中的氩气、氦气和氖气等惰性气体含量，从而提高了氧气的纯度和回收率，同时还可得到高纯度的氮气，从而实现了空气大规模、低压、高纯度、低能耗的梯级变压吸附分离。
本发明的大规模变压吸附梯级空气分离装置特征是：空气加压风机出口通过脱水脱二氧化碳吸附塔与径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口相连，塔组出入口均装有程控阀，并在径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口接有减压泵；径向沸石分子筛变压吸附塔组的出口通过程控阀与碳分子筛变压吸附塔组的入口相连，塔组的出口接有减压泵；变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。
在本发明中，径向沸石分子筛变压吸附塔组中装填的沸石分子筛为5A分子筛、锂X型分子筛、锂A型分子筛、13X型分子筛及其碱土金属改性分子筛中的一种。
在本发明中，变压吸附分离装置为真空变压吸附或低压变压吸附操作。
在本发明中，碳分子筛变压吸附塔为径向变压吸附塔或轴向变压吸附塔。
在本发明中，径向变压吸附塔由塔壁、隔离筒和中心管由外向内依次按同心圆布置，隔离筒和中心管的顶部通过吸附剂压紧板形成吸附段上部封闭；塔壁与隔离筒形成上部封死的气室，隔离筒与隔离筒形成辅助吸附室，隔离筒与中心管形成吸附室，中心管内底部设置防死区导向锥筒；塔壁底部侧面连接切向进气口，吸附尾气出口连接中心管设置在塔顶部；塔壁、中心管和隔离筒与底板密封连接；辅助吸附室和吸附室底部分别安装辅助吸附剂卸料口和吸附剂卸料口。
在本发明中，空气径向沸石分子筛变压吸附塔组分离得到的富氧空气浓度为50％-85％。
4.附图说明
图1为本发明的装置示意图。
附图标记说明
1.风机，2.脱水脱二氧化碳预吸附塔，3.径向沸石分子筛变压吸附塔，4.减压泵，5.碳分子筛变压吸附塔，6.程控阀。
下面结合图1和实施例来详述本发明的装置特点。
5.具体实施方式
以下实施例均按照图1所示的大规模变压吸附梯级空气分离装置。图1所述流程具体包括：
过滤后空气经过风机1加压后，通过脱水和脱二氧化碳吸附塔2预处理后，干燥和脱二氧化碳的加压空气先通过径向沸石分子筛变压吸附塔3吸附分离，氮气被沸石分子筛吸附，富氧空气流出沸石分子筛变压吸附塔3；通过程控阀6切换沸石分子筛变压吸附塔3组，高纯氮气被减压泵4从沸石分子筛变压吸附塔3减压解吸出来作为产品外送或外排，沸石分子筛变压吸附塔3循环使用。流出沸石分子筛变压吸附塔3的富氧空气进入碳分子筛变压吸附塔5，氧气被碳分子筛吸附，残余氮气、氩气和氦气等流出碳分子筛变压吸附塔5外排；通过程控阀6切换碳分子筛变压吸附塔5，高纯度氧气被减压泵4从碳分子筛变压吸附塔5中减压解吸出来作为产品外送，碳分子筛变压吸附塔5循环使用。变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。
所述的径向沸石分子筛变压吸附塔组中装填的沸石分子筛为5A分子筛、锂X型分子筛、锂A型分子筛、13X型分子筛及其碱土金属改性分子筛中的一种。
所述的变压吸附分离装置为真空变压吸附或低压变压吸附操作。
所述的碳分子筛变压吸附塔为径向变压吸附塔或轴向变压吸附塔。
所述的径向变压吸附塔由塔壁、隔离筒和中心管由外向内依次按同心圆布置，隔离筒和中心管的顶部通过吸附剂压紧板形成吸附段上部封闭；塔壁与隔离筒形成上部封死的气室，隔离筒与隔离筒形成辅助吸附室，隔离筒与中心管形成吸附室，中心管内底部设置防死区导向锥筒；塔壁底部侧面连接切向进气口，吸附尾气出口连接中心管设置在塔顶部；塔壁、中心管和隔离筒与底板密封连接；辅助吸附室和吸附室底部分别安装辅助吸附剂卸料口和吸附剂卸料口。
所述的空气径向沸石分子筛变压吸附塔组分离得到的富氧空气浓度为50％-85％。
实施例1
本实施例处理的沸石分子筛为锂A型分子筛，变压吸附分离装置为真空变压吸附，碳分子筛变压吸附塔为径向变压吸附塔：
流程如下：
过滤后空气经过风机1加压后，通过脱水和脱二氧化碳吸附塔2预处理后，干燥和脱二氧化碳的加压空气先通过径向沸石分子筛真空变压吸附塔3吸附分离，氮气被锂A型分子筛吸附，70％的富氧空气流出沸石分子筛真空变压吸附塔3；通过程控阀6切换沸石分子筛真空变压吸附塔3，高纯氮气被减压泵4从沸石分子筛变压吸附塔3减压解吸出来作为产品外送，沸石分子筛真空变压吸附塔3循环使用；流出沸石分子筛真空变压吸附塔3的70％富氧空气进入径向碳分子筛真空变压吸附塔5，氧气被碳分子筛吸附，残余氮气、氩气和氦气等流出径向碳分子筛真空变压吸附塔5外排；通过程控阀6切换碳径向分子筛真空变压吸附塔5，高纯度氧气被减压泵4从径向碳分子筛真空变压吸附塔5减压解吸出来作为产品外送减压解吸作为产品外送，径向碳分子筛真空变压吸附塔5循环使用。变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。
结果显示，实施例1的工艺中氧气纯度达到99.95％，回收率大于95％；氮气纯度为95％，回收率85％；相对低温精馏法氧气分离能耗降低35％。
实施例2
本实施例处理的沸石分子筛为5A型分子筛，变压吸附分离装置为低压变压吸附，碳分子筛变压吸附塔为轴向变压吸附塔：
流程如下：
过滤后空气经过风机1加压后，通过脱水和脱二氧化碳吸附塔2预处理后，干燥和脱二氧化碳的加压空气先通过径向沸石分子筛低压变压吸附塔3吸附分离，氮气被5A型分子筛吸附，65％的富氧空气流出沸石分子筛低压变压吸附塔3；通过程控阀6切换沸石分子筛低压变压吸附塔3，高纯氮气被减压泵4从沸石分子筛变压吸附塔3减压解吸出来作为产品外送，沸石分子筛低压变压吸附塔3循环使用；流出沸石分子筛低压变压吸附塔3的65％富氧空气进入径向碳分子筛低压变压吸附塔5，氧气被碳分子筛吸附，残余氮气、氩气和氦气等流出轴向碳分子筛低压变压吸附塔5外排；通过程控阀6切换碳轴向分子筛低压变压吸附塔5，高纯度氧气被减压泵4从径向碳分子筛真空变压吸附塔5减压解吸出来作为产品外送减压解吸作为产品外送，轴向碳分子筛低压变压吸附塔5循环使用。变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。
结果显示，实施例1的工艺中氧气纯度达到99％，回收率大于95％；氮气纯度为93％，回收率80％；相对低温精馏法氧气分离能耗降低25％。
本发明所提供的大规模变压吸附梯级空气分离装置，利用径向变压吸附塔使变压吸附空分的处理能力成倍提高，可以达到30000m3/h以上，达到低温精馏空分的加工能力；通过沸石分子筛变压吸附塔先选择性吸附氮气，碳分子筛变压吸附塔再选择性吸附氧气的组合措施大幅度提高了变压吸附空分的氧气纯度，降低了氧气中的氩气、氦气和氖气等惰性气体含量，达到了低温精馏空分的分离效果，但高纯氧分离能耗低温精馏空分降低25％以上，从而实现了空气大规模、低压、高纯度、低能耗的变压吸附梯级分离。

Claims (6)

1.大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，空气加压风机出口通过脱水脱二氧化碳吸附塔与径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口相连，塔组出入口均装有程控阀，并在径向沸石分子筛变压吸附塔组的入口接有减压泵；径向沸石分子筛变压吸附塔组的出口通过程控阀碳分子筛与变压吸附塔组的入口相连，塔组的出口接有减压泵；变压吸附塔组通过程控阀实现部分吸附塔吸附分离、部分吸附塔解吸再生循环使用。
2.根据权利要求1所述的大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，径向沸石分子筛变压吸附塔组中装填的沸石分子筛为5A分子筛、锂X型分子筛、锂A型分子筛、13X型分子筛及其碱土金属改性分子筛中的一种。
3.根据权利要求1所述的大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，变压吸附分离装置为真空变压吸附或低压变压吸附操作。
4.根据权利要求1所述的大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，碳分子筛变压吸附塔为径向变压吸附塔或轴向变压吸附塔。
5.根据权利要求1所述的大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，径向变压吸附塔由塔壁、隔离筒和中心管由外向内依次按同心圆布置，隔离筒和中心管的顶部通过吸附剂压紧板形成吸附段上部封闭；塔壁与隔离筒形成上部封死的气室，隔离筒与隔离筒形成辅助吸附室，隔离筒与中心管形成吸附室，中心管内底部设置防死区导向锥筒；塔壁底部侧面连接切向进气口，吸附尾气出口连接中心管设置在塔顶部；塔壁、中心管和隔离筒与底板密封连接；辅助吸附室和吸附室底部分别安装辅助吸附剂卸料口和吸附剂卸料口。
6.根据权利要求1所述的大规模变压吸附梯级空气分离装置，其特征在于，空气径向沸石分子筛变压吸附塔组分离得到的富氧空气浓度为50％-85％。
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