CN115028143B - 一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附工艺和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可将氧浓度为85%以上的富氧空气提纯到99.5%以上的工艺和方法。此工艺以沸石分子筛为吸附剂平衡吸附机理的变压吸制氧系统所制取的富氧空气作为原料气，采用动力学吸附机理，以改性CMS分子筛为吸附剂，全无油润滑氧压机提供动力，采用双塔加单塔两级提纯工艺对富氧空气提纯。通过两级提纯，使得提纯系统对前级制氧系统制氧浓度需求更低，大大提高了最终产品气氧浓度和稳定性，同时将两级提纯过程中产生的废气有进行回收利用，进一步提高了氧气回收率，降低了整个系统的能耗。

Description

一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附工艺和方法

技术领域

本发明是涉及变压吸附空气分离技术领域，具体涉及一种将氧浓度为85%以上的富氧空气提纯到99.5%以上的工艺和方法。

背景技术

变压吸附制氧技术是一种以空气为原料，依靠空气压缩机（常用螺杆空气压缩和无油润滑活塞压缩机）提供动力，通过吸附剂在不同压力下对空气中各组分（主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳等）的吸附速度和扩散速度不同来实现氧氮、氧氩分离。不同的吸附材料分离机理和分离工艺不同。变压吸附制氧技术分离机理主要有两种，一种是平衡吸附机理，也是目前市场常用的变压吸附制氧技术。主要以沸石分子筛（如CaA， CaX，NaX，LiX，LiSLX等）为吸附剂，通过沸石分子筛对氮气的吸附容量大于氧气的吸附容量来实现氧氮分离制取氧气。由于氧气与氩气在沸石分子筛的平衡吸附曲线基本一致，沸石分子筛不能实现氧氩的分离。因此，使用平衡吸附的变压吸附技术，很难制取纯度高于95％的氧气，使得此类制氧设备无法应用于氧气切割、ICU重症及手术等需要高浓度氧气的应用领域。另一种是动力学吸附机理，主要吸附材料是碳分子筛，根据氧气在吸附剂微孔中的扩散速率大于氮气的扩散速率来实现氧氮分离。当空气流有序经过碳分子筛吸附床层时，氧气的扩散速率很快，较多的进入碳分子筛微孔，氮气的扩散速率较慢，进入碳分子筛微孔较少，如果将碳分子筛微孔进行改造，氮气将很难进入微孔，而在气相中富集，从而实现氧氮分离。但氮气与氩气在碳分子筛中的扩散速率差别不大，也在气相中富集，无法实现氮氩的分离，但实现了氧气与氩气的分离。因此，常用这两种分离机理有机组合，形成两级或多级变压吸附来制取更高浓度的氧气。

中国专利CN103768891B公开了一种用两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法，该专利的第一级为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡选择性吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级为装有氧选择性吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氩分离变压吸附分离系统，并且改进了传统的两级变压吸附系统，在第一级与第二级变压吸附系统之间设置了含氧富氩尾气回收回路，提高了氧气回收率。

中国专利CN106744699A公开了一种用两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法，该专利在二级提纯吸附塔设置了出口到入口的均压回收改进，同时将第二级变压吸附系统排出的富氩尾气和产品不合格气进行回收。作为第一级变压吸附系统吸附塔的一级清洗气，氧气回收率的所提升。

中国专利CN109179335A对现两级变压吸附制 氧技术进行了改进，将第二级变压吸附系统排出的富氩尾气作为第一级变压吸附系统吸附塔的一级清洗气，同时将第二级变压吸附系统分离提纯后获得的初期所产出的含氧相对较低的产品气作为第一级变压吸附系统吸附塔的最后清洗阶段的清洗气，提高了第一级变压吸附系统产生的初级氧产品气浓度，提高了整个系统氧气产品的回收率。且对第二级变压吸附系统的产品气进行初期、中期和后期阶段性解析分离，将中期产品气作为最终产品气，对氧气浓度有所提升。

此三个专利的共同特点是采用两级（一级平衡吸附和二级动力学吸附）变压吸附制氧技术组合制取高浓度氧气，对二级提纯过程中所产生的有价值的富氩氧、初级氧产品气及不合格的产品气进行回收，做为一级的清洗气，一定程序上提高了氧气的回收率，缩短了产品气达到所需氧浓度的时间，适当降低了能耗。但此三个专利所公布的提纯技术具有共同的缺陷。第一缺陷：二级提纯系统对一级系统制取的富氧空气氧浓度有很强的依赖，要求一级富氧空气氧浓度必须保持92%以上，二级提纯的产品气氧浓度才可达到99.5%以上，否则，将无法提纯到99.5%。99.7%已是此类提纯系统的提纯极限，要求一级产品气氧浓度必须保持94.5%以上，已是双极限，很难达到。第二缺陷：此类提纯技术方案，氧浓度稳定性很差，一旦一级富氧空气氧浓度出现波动，二级提纯的产品气氧浓度也随之波动，无法收敛。因此，所公开的技术至今，运用此类提纯技术所生产的设备，在对氧浓度要求高的工业及医疗领域应用甚少。

发明内容

为解决上述技术不足，本发明提供了一种可将氧浓度为85%以上的富氧空气提纯到99.5%以上的工艺和方法。此工艺以沸石分子筛等平衡吸附机理的变压吸附制氧系统所制取的富氧空气作为原料气，采用动力学吸附机理，以改性CMS分子筛为吸附剂，以全无油润滑氧压机提供动力，采用双塔加单塔两级对富氧空气提纯。通过两级提纯，使得提纯系统对前级制氧系统制氧浓度需求更低，大大提高了产品气氧浓度和稳定性，同时将两级提取过程中产生的废气回收利用，进一步提高了氧气回收率，降低了整个系统的能耗。

本发明工艺技术方案如图1所示，主要包括一个富氧缓冲罐V1，一个一级回收缓冲罐V2，一个二级回收缓冲罐V3，一个氧气缓冲罐V4,两个一级吸附塔T1A和T1B，一个二级吸附塔T2及工艺管路和各类阀门（QV开头的为球阀，SV开头的为气动阀，WV开头的为减压阀，NV开头的为节流阀）组成富氧提取工艺系统。吸附塔T1A、T1B和T2中装填改性CMS分子筛，使富氧空气中氧气与氮氩分离，制取氧气，氧气缓冲罐V3装填13X分子筛，除去氧气中微量的CO₂和气态H₂O。

各类阀门、管路与吸附塔和缓冲罐间组成下述工艺管路：

富氧空气进气管路：一端与富氧缓冲罐V1连接，中间连接减压阀WV01，另一端通过气控阀SV01A和SV01B分别与吸附塔T1A和T1B进料端连接，将富氧缓冲罐V1中的富氧空气输入一级吸附塔T1A和T1B中；

一级废气排放和回收管路 ：一端通过气控阀SV05A和SV05B分别与吸附塔T1A和T1B排废端连接，另一端通过气控阀SV06A和SV06B，分别控制吸附塔T1A和T1B提纯过程中生成的富氩氧排放或贫氩氧回收。气控阀SV06B连接减压阀WV02、球阀QV02及消音器NL01，用于用废气排放，将吸附塔T1A和T1B提纯过程中产生富氩氧排除。气控阀SV06A连接球阀QV01和回收缓冲罐V2， 将吸附塔T1A和T1B提纯过程中产生贫氩氧回收到回收缓冲罐V2中，用于前级系统吸附塔清洗和预充压，提高氧气回收率；

交叉均压管路：吸附塔T1A的排废端通过气控阀SV05B与吸附塔T1B进料端连通，吸附塔T1B的排废端通过气控阀SV05A与吸附塔T1A进料端连通，用于将一个吸附塔排废端的富氧空气转移至另一个吸附塔的进料端进行回收提纯，提高氧气回收率；

转移管路：一端通过气控阀SV02A和SV02B分别与吸附塔T1A和T1B进料端连接，另一端分别连接气控阀SV07、SV08、SV09和过滤器F01，其中气控阀SV07与二级回收缓冲罐V3相连，气控阀SV08与吸附塔T2进料端相连，气控阀SV09与工艺压缩机C01排气口并接于气控阀SV10，气控阀SV10与吸附塔T2进料端相连；

置换清洗管路：一端通过气控阀SV03A和SV03B分别与吸附塔T1A和T1B进料端连接，另一端分别连接气控阀SV09、SV10、SV11、SV12和工艺压缩机C01排气口，气控阀SV09通过过滤器F01与工艺压缩机C01进气口连接，气控阀SV10与吸附塔T2进料端相连，气控阀SV11与消音器SL02连接, SV12与氧气缓冲罐V4一端连接；

二级回收管路：二级回收缓冲罐V3分别通过吸附塔气控阀SV13、SV14和QV03与吸附塔T2排废端连接，气控阀SV13此管路为快排废气，气控阀SV14和QV03此管路为慢排废，将吸附塔T2排废端排除的废气（相对于产品气而言）回收到二级回收缓冲罐V3中；

氧气产气管路：氧气缓冲罐V4另一端连接过滤器F02、减压阀WV03球阀QV04,将浓度大于99.5%的氧气输入用氧设备。

本发明提纯工艺方法：

以吸附塔T1B吸附饱和为起点，此时吸附塔T1A和T2解析完成等待吸附。阐述本发明提纯工艺方法，主要分为以下步骤：

步骤1：将T1B排废端的低氧浓度富氧空气交叉均压到吸附塔T1A进料端回收；

步骤2：将储存在富氧缓冲罐V1中的85～95%的富氧空气通过减压阀WV01减压后输入吸附塔T1A中，氮气、氩气从排废管路中排出，同时，吸附塔T1B中剩余气体均压到吸附塔T2中作为预充压气；

步骤3：停止富氧空气进气，通过工艺压缩机C01将二级回收缓冲罐V3中回收的气抽回吸附塔T1A置换，同时氮气、氩气从排废管路中排出；

步骤4：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体抽一部分到到吸附T2中，同时吸附塔T2慢排废至二级回收缓冲罐V3中回收；

步骤5：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体同时抽到吸附T2和吸附塔T1A中，同时吸附塔T2慢排废至二级回收缓冲罐V3中，吸附塔T1A中慢排出的废气回收到一级回收缓冲罐V2中，做为前级制取富氧空气吸附塔的清洗气和预充压气，提高氧气回收率；

步骤6：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体抽到吸附塔T1A中，吸附塔T1A中排出的废气继续回收到一级回收缓冲罐V2中。吸附塔T2从排废端气体快速均一部分到二级回收缓冲罐V3中回收；

步骤7：吸附塔T2与吸附塔TIB均压，同时通过工艺压缩机C01将吸附塔T2与吸附塔TIB中的气体同时抽一部分到氧气缓冲罐V4中，直到氧气缓冲罐V4中压力大于等于吸附塔T1A时止；

步骤8：通过工艺压缩机C01将吸附塔T2与吸附塔TIB中的气体，同时抽到氧气缓冲罐V4和吸附塔T1A中，并将吸附塔T1A排除的废气回收到一级回收缓冲罐V2中。直至将吸附塔T2与吸附塔TIB抽至常压。

步骤1～8为半周期，此半周期结束后，吸附塔T1A处于吸附饱和状态，吸附塔TIB和T2解析完成等待吸附。进入下半周期，下半周期同样为8步，吸附塔T1A与T1B的运行状态与步骤1～8异相，吸附塔T1A开始解析，吸附塔TIB和T2开始吸附。如此循环，即可将85～95%间的富氧空气提纯至99.5%以，如果前级富氧空气氧浓度在93%以上时，可将其提纯至99.9%以上。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

现有变压吸附提纯技术对前级系统制取的富氧空气氧浓度有很强的依赖，其富氧空气氧浓度必须保持92%以上，才能将其提纯至99.5%以上，若富氧空气氧浓度低于92%，提纯后的产品气氧浓度将无法达到99.5%，即使前级富氧空气氧浓度超过94%，提纯后的产品气氧浓度最高也只能能达到99.7%。99.7%已是运用此类提纯技术的极限，很难达到，并且产品气氧浓度稳定性很差。

本发明在现有技术能耗不增加的前提下，采用双塔和单塔结合两级提纯，可将氧浓度在85%以上的富氧空气提纯至99.5%以上，对前级富氧空气氧浓度要求更低，提纯后的产品气氧浓度更高。若前级富氧空气氧浓度保持在93%以上时，可将其提纯至99.9%以上。前级制取的富氧空气氧浓度轻微波动，不会导致最终产品气氧浓度变化，设备氧浓度稳定性理好。

本发明将一级吸附塔T1A和T1B提纯过程中产生的贫氩氧进行回收，作为前级的清洗气和预充压气。将吸附塔T2提纯过程中产生的较高氧浓度废气进行回收，作为一级吸附塔T1A和T1B置换气，再次提纯，大大提高了产品气氧浓度。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将描述中所需要使用的附图作简单地介绍，图1是本发明变压吸附富氧空气提纯工艺流程图。

图中：以T开头的符号是指吸附塔，第一级变压吸附塔为T1A和T1B，第二级的吸附塔为T2；以V打头的符号是指缓冲罐，V1为富氧空气缓冲罐， V2为一级回收缓冲罐，V3为二级回收缓冲罐，V4为氧气缓冲罐；以SV符号开头的是指气控阀门，这些阀门都预先设定了开启或关闭逻辑，控制变压吸附系统中气体的流向，包括SV01A～SV14，阀门编号中的数字并不一定连续；以NV符号开头的是指小流量控制调节阀门,精确调整流量，用于采样分析，包括NV01-NV03；以QV符号开头的是球阀，用气路开关和粗略调整流量和流速，以ZV符号开头的是止回阀。C01为工艺氧压机，是全无油润滑活塞的压缩机，为系统提供动力。

具体实施方式

为更好地理解本发明，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。

如图1所示，本发明主要包括一个富氧缓冲罐V1，一个一级回收缓冲罐V2，一个二级回收缓冲罐V3，一个氧气缓冲罐V4,两个一级吸附塔T1A和T1B，一个二级吸附塔T2及工艺管路和各类阀门组成富氧空气提取工艺系统。

其中吸附塔T1A、T1B和T2中装填某国某公司生产的改性CMS分子筛，氧气缓冲罐V4装填13X分子筛，除去氧气中微量的CO₂和气态H₂O，SV开头气控阀可以选用气控梭阀、气控角座阀或气控截止阀等。这些阀气控阀门受PLC逻辑控制，控制变压吸附系统中气体的流向。

本发明原料气是基于平衡机理变压吸附所制取的富氧空气，氧浓度在85%以上，压力不小于0.4MPa(G),各气控阀门按下表操作步骤切换。

上述16步骤为一个循环周期，前8步为前半周期，吸附塔T1A处于吸附状态，吸附塔T1B处于解析状态，后8步为后半周期，吸附塔T1A处解析状态，吸附塔T1B处于吸附状态。每一步骤中除了指定的气控阀门开启，其余气控阀均关闭。球阀QV01～QV04通过废气氧浓度、回收气氧浓度和产品气氧浓度情况进行开度调节控制。T1A、T1B和T2吸附压力控制地0.4～0.5MPa间。通过以上步骤持续循环运行，即可将氧浓度为85%的富氧空气提纯到99.5%以上。如果富氧空气氧浓度保持在93%以上，可将氧浓度提纯到99.5%以上，回收率可达到80%以上，将氧浓度提纯到99.8%以上，回收率可达到50%以上，将氧浓度提纯到99.9%以上，回收率可达到30%以上。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已 ，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记录的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。比如，当一级富氧空气氧浓度稳定保持92%以上时亦可采用如图2所示的简化提纯工艺，去掉二级回收罐V3及连接的管路，将气控阀SV12换成止回阀ZV01，连接到吸附塔T2排气口，也可将其提纯至99.5%，提纯工艺步骤如下表所示。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含于本发明的保护范围之内。

上述10步骤为一个循环周期，前5步为前半个周期，吸附塔T1A处于吸附状态，吸附塔T1B处于解析状态，后5步为后半个周期，吸附塔T1A处解析状态，吸附塔T1B处于吸附状态，每一步骤中除了指定的气控阀门开启，其余气控阀门均关闭。

Claims (4)

1.一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附方法，包括富氧提取工艺系统，所述富氧提取工艺系统包括一个富氧缓冲罐V1、一个一级回收缓冲罐V2、一个二级回收缓冲罐V3、一个氧气缓冲罐V4、两个一级吸附塔T1A和一级吸附塔T1B、一个二级吸附塔T2及工艺管路和各类阀门；其特征在于，一级吸附塔T1A、一级吸附塔T1B和二级吸附塔T2中装填有改性CMS分子筛，使富氧空气中氧气与氮氩分离，氧气缓冲罐V4装填13X分子筛，除去氧气中微量的CO₂和气态H₂O；

各类阀门、工艺管路与吸附塔和缓冲罐间组成下述工艺管路：

富氧空气进气管路：一端与富氧缓冲罐V1连接，中间连接减压阀WV01，另一端通过气控阀SV01A和SV01B分别与一级吸附塔T1A和T1B进料端连接，将富氧缓冲罐V1中的富氧空气输入一级吸附塔T1A和T1B中；

一级废气排放和回收管路：一端通过气控阀SV05A和SV05B分别与一级吸附塔T1A和T1B排废端连接，另一端通过气控阀SV06A和SV06B，分别控制一级吸附塔T1A和T1B提纯过程中生成的富氩氧排放或贫氩氧回收；气控阀SV06B连接减压阀WV02、球阀QV02及消音器NL01，用于用废气排放，将一级吸附塔T1A和T1B提纯过程中产生富氩氧排除；气控阀SV06A连接球阀QV01和一级回收缓冲罐V2，将一级吸附塔T1A和T1B提纯过程中产生贫氩氧回收到一级回收缓冲罐V2中，用于前级制氧系统吸附塔的清洗和预充压，提高氧气回收率；

交叉均压管路：一级吸附塔T1A的排废端通过气控阀SV04B与吸附塔T1B进料端连通，吸附塔T1B的排废端通过气控阀SV04A与一级吸附塔T1A进料端连通，用于将一个吸附塔排废端的富氧空气转移至另一个吸附塔的进料端进行回收提纯，提高氧气回收率；

转移管路：一端通过气控阀SV02A和SV02B分别与一级吸附塔T1A和T1B进料端连接，另一端分别连接气控阀SV07、SV08、SV09和过滤器F01，其中气控阀SV07与二级回收缓冲罐V3相连，气控阀SV08与二级吸附塔T2进料端相连，气控阀SV09与工艺压缩机C01排气口并接于气控阀SV10，气控阀SV10与二级吸附塔T2进料端相连；

置换清洗管路：一端通过气控阀SV03A和SV03B分别与一级吸附塔T1A和T1B进料端连接，另一端分别连接气控阀SV09、SV10、SV11、SV12和工艺压缩机C01排气口，气控阀SV09通过过滤器F01与工艺压缩机C01进气口连接，气控阀SV10与二级吸附塔T2进料端相连，气控阀SV11与消音器SL02连接,SV12与氧气缓冲罐V4一端连接；

二级回收管路：二级回收缓冲罐V3分别通过吸附塔气控阀SV13、SV14和QV03与二级吸附塔T2排废端连接，气控阀SV13此管路为快排废气，气控阀SV14和QV03此管路为慢排废，将二级吸附塔T2排废端排除的废气回收到二级回收缓冲罐V3中；

氧气产气管路：氧气缓冲罐V4另一端连接过滤器F02、减压阀WV03球阀QV04,将浓度大于99.5％的氧气输入用氧设备；

富氧提取工艺系统的控制方法为：

步骤1：将T1B排废端的低氧浓度富氧空气交叉均压到一级吸附塔T1A进料端回收；

步骤2：将储存在富氧缓冲罐V1中的85％以上的富氧空气通过减压阀WV01减压后输入一级吸附塔T1A中，同时氮气、氩气从排废管路中排出，此时废气氧浓度在75-80％之间，同时，吸附塔T1B中剩余气体均压到二级吸附塔T2中作为预充压气；

步骤3：停止富氧空气进气，通过工艺压缩机C01将二级回收缓冲罐V3中回收的气抽回一级吸附塔T1A置换，同时氮气、氩气从排废管路中排出；

步骤4：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体抽一部分到二级吸附塔T2中，同时二级吸附塔T2慢排废至二级回收缓冲罐V3中回收；

步骤5：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体同时抽到吸附T2和一级吸附塔T1A中，同时二级吸附塔T2慢排废至二级回收缓冲罐V3中，一级吸附塔T1A中慢排出的废气回收到一级回收缓冲罐V2中，做为前级制取富氧空气吸附塔的清洗气和预充压气，提高氧气回收率；

步骤6：通过工艺压缩机C01将T1B中剩余的气体抽到一级吸附塔T1A中，一级吸附塔T1A中排出的废气继续回收到一级回收缓冲罐V2中，二级吸附塔T2从排废端气体快速均一部分到二级回收缓冲罐V3中回收；

步骤7：二级吸附塔T2与吸附塔TIB均压，同时通过工艺压缩机C01将二级吸附塔T2与吸附塔TIB中的气体同时抽一部分到氧气缓冲罐V4中，直到氧气缓冲罐V4中压力大于等于一级吸附塔T1A时止；

步骤8：通过工艺压缩机C01将二级吸附塔T2与吸附塔TIB中的气体，同时抽到氧气缓冲罐V4和一级吸附塔T1A中，并将一级吸附塔T1A排除的废气回收到一级回收缓冲罐V2中，直至将二级吸附塔T2与吸附塔TIB抽至常压；

步骤1～8为半周期，此半周期结束后，一级吸附塔T1A处于吸附饱和状态，吸附塔TIB和T2解析完成等待吸附，然后进入下半周期，下半周期同样为8步，一级吸附塔T1A与T1B的运行状态与步骤1～8异相，一级吸附塔T1A开始解析，吸附塔TIB和T2开始吸附；

将氧浓度在85％以上的低氧浓度的富氧空气提纯到99.5％以上，以沸石分子筛平衡吸附机理制氧系统所制取的富氧空气作为原料气，采用动力学吸附机理，以改性CMS分子筛为吸附剂，以全无油润滑氧压机作为工艺压缩机，为提纯系统提供动力，采用双塔加单塔两级提纯工艺，对富氧空气提纯。

2.根据权利要求1所述的一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附方法，其特征在于，各气控阀门按下表操作步骤切换：

上述16步骤为一个循环周期，前8步为前半个周期，吸附塔T1A处于吸附状态，吸附塔T1B处于解析状态，后8步为后半个周期，吸附塔T1A处解析状态，吸附塔T1B处于吸附状态，每一步骤中除了指定的气控阀门开启，其余气控阀均关闭。

3.根据权利要求1所述的一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附方法，其特征在于，去掉二级回收罐V3及连接的管路，将气控阀SV12换成止回阀ZV01，连接到二级吸附塔T2排气口。

4.根据权利要求3所述的一种能将低氧浓度的富氧空气提纯的变压吸附方法，其特征在于，各气控阀门按下表操作步骤切换：

上述10步骤为一个循环周期，前5步为前半个周期，吸附塔T1A处于吸附状态，吸附塔T1B处于解析状态，后5步为后半个周期，吸附塔T1A处解析状态，吸附塔T1B处于吸附状态，每一步骤中除了指定的气控阀门开启，其余气控阀门均关闭。