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CN1306986C - 用于共生产氮和氧的变压吸附方法 - Google Patents

用于共生产氮和氧的变压吸附方法 Download PDF

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CN1306986C CNB028241819A CN02824181A CN1306986C CN 1306986 C CN1306986 C CN 1306986C CN B028241819 A CNB028241819 A CN B028241819A CN 02824181 A CN02824181 A CN 02824181A CN 1306986 C CN1306986 C CN 1306986C
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Abstract

本发明公开了一种压力吸附方法，该方法用于从原料气体混合物如空气中回收易吸附组分如氮和较大量的难吸附组分如氧，其中氮与氧的比率低于约3∶1，且该方法的共吹扫∶原料气体比率保持低于约1.15∶1。

Description

用于共生产氮和氧的变压吸附方法
发明领域
本发明涉及一种变压吸附方法，该方法用于从原料气体混合物中双重回收易吸附组分，如氮气，和难吸附组分，如氧气，其中该方法的共吹扫气：原料气的比率低于约1.15∶1，，这样以便于易吸附组分(氮气)与难吸附组分(氧气)的比率低于约3∶1。
背景技术
在许多化学加工，精炼，金属生产和其它工业应用中，需要高纯度的氧气或氮气。富氧气或富氮气是金属处理气氛和其它应用经常所需要的。氮气和氧气当然可通过各种用于空气分离的已知技术而得到。变压吸附(PSA)方法特别适用于各种应用中的这种空气分离，尤其在相对小规模操作中，使用低温空气分离装置在经济上可能不太可行的情况下。
最常见的PSA系统是从给定原料供给物中生产单一的富集纯气流，通常是难吸附(轻)组分。在这些系统中，原料气体混合物在较高压力下流过一个能够选择易吸附(重)组分的吸附剂床。轻组分穿过该床并作为产品被收集。重组分随后在低压下从吸附剂中解吸出来并作为废物从该系统中排放。如果所关心的主要产品是重组分，PSA系统则进行不同的设计。在这种系统中，由产品高质量气体组成的并流置换吹扫气在加料步骤之后沿加料方向流过该床。轻组分穿过该床并在该床的出料端作为废物被排放。高纯度重产品在该床的加料端通过一系列放气(blowdown)，抽空和吹扫步骤被收集。在任一已有技术系统中，仅原料混合物的单个组分被捕获作为产品，而剩余组分作为废物从系统中排放。在这种情况下，废物流一般不富含足够的可用于化学或工业应用的所需组分。在这些系统的每一个中，产品的单位成本相对于所关心的单个产品(重或轻产品)而确定。
U.S.4,599,094描述了一种空气分离方法，其中主要产品是高纯度的氮气，但从中也生产出相当高纯度的共产品氧气。该方法使用10或更高的高压力比率(最大吸附压力与最低解吸压力的比率)，并结合使用13X分子筛。高的氮回收是主要目的。该方法获得了远大于3∶1，而且甚至接近理论最大值4∶1的产品比率(N2∶O2)。实现了产品氮纯度≥99.8％(回收≥98％)和氧纯度90％-93.6％。这么高回收率和纯度的主要原因在于，在吸附步骤中排出的氧/空气传质前段排出物(mass transferfront)被分配并被完全回流至该方法中的其它床。该复杂性和高压力比率导致高的资金和操作成本，从而导致产品昂贵。
U.S.4,810,265提出一种用于生产氮的并流置换方法。将原料空气引入该床的入口，氮气被选择性地吸附，以及富氧气体从床的出料端被取出。空气加料步骤之后是并流吹扫(共吹扫)置换步骤，其中高纯氮气被加料到床的底部，同时富氧气体继续从顶部被取出。氮吹扫气置换和氮气一起被共吸附的氧，以及残留在颗粒间空隙空间中的氧。继续共吹扫流动直至传质前段排出物从床的出料端冒出并且氧纯度下降。富氧(轻组分)气体从床的顶部排出，而且作为废物被排放或被收集用于逆流吹扫和/或加压。吸附剂和空隙空间随后用高纯度的重产品饱和。U.S.4,810,265还提出在上述方法中使用LiX或13X吸附剂。
美国专利No.4,013,429涉及的变压吸附方法中，环境空气在操作过程中连续地流过一个预处理吸附床以从中去除水分和二氧化碳。经过干燥和纯化的空气随后流过一个可选择性地保留氮的主吸附床，富氧流出物被收集在可膨胀接收容器中。预处理和主吸附剂被包含在顺序连接的独立容器中。高纯度的氮气以与起始空气加料相反的方向通过抽空而从主床中解吸。来自主床的这种氮产品流入并通过该预处理床直至一收集容器。在真空解吸步骤之前，预处理床和主床都用来自该操作中的以前阶段的高纯氮产品气体冲洗。在抽空之后，所述床用一部分取自可膨胀接收容器的富氧气体再加压。按照所述方式操作，根据任何所需用途可回收高纯度(99.7-99.9％)的氮和富氧(78-90％)气体产品。氮和氧产品的回收率均约95％。两种产品的这种高回收率表明，已有技术方法致力于寻求尽可能接近4∶1的N2∶O2产品比率。U.S.4,013,429的方法复杂而且昂贵，具有16个循环步骤，13个阀，四个压缩机和三个可膨胀气体接收器。
美国专利No.4,892,565涉及一种使用真空变压吸附，用于从包含关键组分和一种或多种不易被选择性吸附的次要组分的气体混合物中回收易被选择性吸附的关键组分的方法。该方法通过减少或不用气体储存容器而使资金成本最小化，并通过不用加料压缩机的操作而减少电力需求量，这样进料至少部分是通过并联吸附床之间的压力平衡所获得的真空条件而被引入的。该发明的主要目的是生产相对高纯度(≥95％)的已被选择性吸附的组分。另外，至少少量的不易被选择性吸附的次要组分产品可被回收。很显然对于空气分离而言，该三个或四个床的方法仅在于回收重氮组分，或另外还在于高N2∶O2产品比率。
美国专利No.4,915,711涉及一种吸附分离方法，其中使用吸附，降压，低压吹扫，抽空和再加压步骤，用于回收两种高回收率和高纯度的气体产品。降压和吹扫排放物被再循环至加料。视需要，在吸附之后和在抽空步骤之后进行压力平衡。该发明目的在于CO2/CH4分离。就选择空气分离而言，仅考虑使用氧选择性吸附剂的方法，即氧是重组分。该方法与本发明的明显不同还在于在吸附步骤之后使用并流减压步骤和使用重组分的低压吹扫。
已有技术主要致力于生产高纯氮(99.9％或更高)，并使这些空气分离方法的氮的产率最大化。氧已作为额外收益从这些方法中回收，来抵消生产高纯氮的一些成本。完美的或理想的分离可得到4∶1比率的氮和氧产品。在例如公开于U.S.4,810,265和U.S.5,163,978的实际工艺中，主氮产品的回收被最大化。这些方法中的所得产品比率(N2∶O2)远高于3∶1，因此已有技术显然已发现，最低的氮单位产品成本等于使N2∶O2产品比率最大化至大于3∶1的值。必然低于理想比率4∶1的该产品比率的实际上限，是传质阻力和氮和氧在传质区中的共吸附的结果。换句话说，不可能从床中去除所有的氧而不损失一点氮。
与已有技术中的PSA共产品空气分离相反，其中希望使N2∶O2产品比率最大化本发明寻求低于3∶1的N2∶O2产品比率。本发明的一个方面是，如果共吹扫：原料空气的比率下降，轻氧产品量则增加。不是简单地将过量的高纯氮产品排放以得到较低的产品比率，本发明的新工艺减少共吹扫：原料空气比率(如降低约10％)以达到较大量的轻产品和相应较低的N2∶O2产品比率。这导致氧的单位成本下降。
可改变入口鼓风机的使用情况，使得较多的原料空气和较少的共吹扫氮被引入吸附床中，该入口鼓风机可提供原料空气鼓风机和共吹扫压缩机的双重功能。因此较高的进料处理量和较大的轻组分氧产品可使用相同的固定尺寸的设备而得到。
本发明的一个目的是提供一种从原料气体混合物中回收易吸附气体组分以及难吸附气体组分的PSA方法和系统，其中通过将共吹扫：原料气体的比率调节至低于1.15∶1而使难吸附的(氧)气体的量增加。从而将易吸附气体组分与难吸附气体组分的比率降至低于3∶1。
本发明的另一目的是提供一种PSA方法和系统，它能够将从空气中回收较大量的富集氧产品时的资金成本，电力消耗，和总体成本降至最少。
考虑到这些和其它目的，以下详细描述本发明，其新特征在所附权利要求书中特别指出。
发明概述
本发明涉及一种用于从原料气体混合物中共生产易吸附气体组分(如氮)和难吸附气体组分(如氧)的变压吸附/解吸方法，该方法包括将原料气体加料到至少一个包含吸附材料的吸附床，该吸附材料用于预处理或去除不需要的组分，并随后经过主吸附剂床。原料气体混合物在高压下经过主吸附剂，其中重组分被吸附和轻组分作为产品离开。该步骤之后依次是高纯度重产品的并流吹扫(共吹扫沿与加料相同的流动方向通过主吸附床)。重产品在随后的逆流放气和抽空步骤中被回收。主床随后被逆流吹扫，并随后用轻产品再加压。实施这些循环步骤在某种意义上使得易吸附气体化合物与难吸附气体组分的产品比率低于约3∶1，优选约2∶1，其中共吹扫：原料气体比率被调节至低于约1.15∶1，优选低于1.05∶1。
当原料混合物优选为空气时，本发明的代表性方法可描述如下：
(a)将难吸附组分(氧)引入床的出料端，以将该床从低于大气压的解吸压力水平部分逆流地再加压至中间压力水平，床的这种逆流回填用于将任何以前被吸附的易吸附气体组分(氮)置换到床的加料端；
(b)将原料气体混合物转到床的加料端，所述床从所述中间压力被并流再加压至一上吸附压力，其中所述易吸附气体组分被选择性吸附而所述难吸附气体组分被选择性地从床的出料端取出，其中产生较大量的难吸附气体是通过在方法中保持共吹扫：原料气体比率低于约1.15而实现的，将一部分所述较大量的难吸附气体组分从系统中取出用于其它应用，剩余部分的所述难吸附气体组分直接通入该系统的另一床中，用于步骤(a)的所述逆流回填再加压或用于床的吹扫，和/或通入气室以备随后用于这些回填或吹扫步骤；
(c)在所述上吸附压力下将易吸附气体组分转到床的加料端，以便在低于约1∶15∶1，优选低于约1.05的共吹扫：原料气体比率下，并流吹扫所述床，和将所述难吸附气体组分从床的出料端取出，以便在从床中回收所述易吸附气体组分之前，通过所述吹扫将床中的难吸附气体组分清除；
(d)通过从床的加料端排出所述易吸附气体组分，来使床逆流降压，从而床的压力首先从上吸附压力通过放气降至大气压，然后优选通过使用真空泵降至低于大气压的解吸压力水平；
(e)在低于大气压的压力下，通过将所述难吸附气体组分引入床的出料端，来逆流吹扫该床，以及所述易吸附气体组分优选通过真空泵从床的加料端排出，从而在紧接着的下一个加压吸附步骤之前，增加该床的吸附量，以及将所述易吸附气体从系统中取出或储存在气室中以用作该方法中的吹扫气体；和
(f)在该方法实施过程中将额外的原料气体通入该床，，以保持共吹扫：原料气体比率低于约1.15∶1，从而保持所述易吸附组分与所述难吸附组分气体的比率低于约3∶1，在此循环基础上重复步骤(a)-(e)。
如果难吸附组分是氧而易吸附组分是氮，那么所述氧可优选具有约60％以上，更优选约80％以上的纯度，而所述氮可优选具有约98％以上，更优选约99.8％以上的纯度；且作为低成本产品，这些气体在本发明的简化加工循环中体可方便地得到。
本发明的加工循环总体上包括在低(低于大气压)解吸压力和上(高于大气压)吸附压力之间操作的各种加压和降压步骤，结合在所述上和低压力下有利的吹扫或置换步骤，以增加在高解吸压力下难吸附气体组分的回收和在较低解吸压力下易吸附气体组分的回收。根据特殊空气分离或其它原料气分离应用的要求，各种各样的工艺变型也可用于具体的实施方案，以增强本发明方法和系统的性能。
本发明优选应用于从空气中分离氧和氮的PSA系统，其中采用至少两个吸附剂床，其中每个床按照与该系统中的其它床相关的合适顺序进行所公开的加工循环，这样有助于在这种系统中进行连续气体分离操作。在本发明优选的实施方案中，通常采用两个或三个吸附剂床。
已发现如果共吹扫：原料气体比率下降，氧产量则出乎意料地增加。不同于简单地排放过量高纯氮产品以得到较低的产品比率，该新型方法产生一种可将共吹扫：原料空气比率降至低于1.15∶1，优选低于约1.05∶1的系统。这可获得较大量的轻产品氧和由此较低的氮/氧比率(低于约3∶1)。这还导致氧的单位成本的下降。
共吹扫：原料空气比率的下降可通过减少用于共吹扫的时间量和增加用于空气加料的时间量而实现。吸附剂效率可进一步通过监测和使用从床的顶部排出的富氧气体的纯度，以控制共吹扫：原料空气比率。该新方法使得由固定量的吸附材料产生的氧的量最大化。
附图简述
图1是用于本发明真空PSA氧和氮系统的优选步骤的示意流程图。
图2是本发明真空PSA氧和氮系统的示意图。
图3包括三个图，其中
图3A是已有技术床顶部的氧纯度迹线的氧百分数对时间的图；
图3B是已有技术中，在最佳条件下床顶部的氧纯度迹线的氧百分数对时间的图；和
图3C是在本发明条件下床顶部的氧纯度扫描的氧百分数对时间的图。
发明详述
本发明优选的方法是PSA系统的并流置换循环。该循环的优选实施方案是以下描述和在图1的循环步骤图中显示的12步方法。优选类型的吸附剂例如U.S.4,589,217中描述的高度交换的低Si/Al比率的LiX吸附剂。
步骤No.1-产品氧加压
将富氧气体从氧产品储存罐中取出，并引入吸附器的出料端(顶部)。
步骤No.2-交叠加料吸附/产品氧加压
将原料空气引入吸附器的加料端(底)，同时氧产品继续进入吸附器的顶部。
步骤No.3-升高压力进行加料吸附和开始产生氧
原料空气继续被引入吸附器的底部。一旦达到所需吸附压力，开始从顶部回收氧产品。
步骤No.4-并流氮吹扫/产品氧生成
将氮产品从可变容积的氮接收器中取出，将其压缩并引入吸附器的底部。氧产品在吸附器的顶部取出。
步骤No.5-并流氮吹扫/产品氧制造
将氮产品从可变容积的氮接收器中取出，将其压缩并引入吸附器的底部。氧产品在吸附器的顶部取出。
步骤No.6-并流氮吹扫7/氧排放
氮产品继续被引入吸附器的底部。来自吸附器顶部的气体被排出该系统。
步骤No.7-放气/氮产品
产品高质量氮从吸附器的底部取出，并导入可变容积的氮接收器。
步骤No.8-抽空/氮产品
氮产品通过真空鼓风机从吸附器的底部取出，并排放至可变容积的氮接收器。
步骤No.9-抽空/氮产品
氮产品通过真空鼓风机从吸附器的底部取出，并排放至可变容积的接收器。
步骤No.10-抽空/氮产品/氧吹扫
氮产品通过真空鼓风机从吸附器的底部取出，并排放至可变容积的氮接收器。将来自产品罐的氧引入吸附器容器的顶部。
步骤No.11-抽空/排放/氧吹扫
将氮产品从吸附器的底部取出，并作为废物从系统中排放。来自产品气室的氧继续流入吸附器容器的顶部。
步骤No.12-抽空/排放/氧吹扫
将纯度下降的氮从吸附器的底部取出，并作为废物从系统中被排放。来自产品气室的氧继续流入吸附器容器的顶部。
调节每个步骤的时间周期和每个步骤中的压力变化，使得共吹扫：原料气体比率保持低于约1.15。本发明的一个新颖方面在于用于增加床的吸附能力的步骤11和12。
图1显示了该方法的12个步骤。在用产品氧逆流加压(步骤1)之后，将原料空气引入床的入口。氮被选择性吸附。一旦达到上吸附压力，将富氧气体从床的出料端取出。最终空气加料步骤(步骤3)之后是一个并流吹扫置换(共吹扫)步骤，其中将高纯氮加料到床的底部，同时富氧气体继续从顶部取出。氮吹扫气置换共吸附的氧，以及保留在颗粒空隙间的氧。从床的出料端取出的富氧气体的瞬时纯度在整个循环过程中变化。将纯度高的氧气流(典型地＞75％)捕获并送至氧产品罐。排放气的剩余部分(较低纯度的氧)从系统中排放掉。除了作为产品，在储存罐中收集的较高纯度氧还用于逆流吹扫和/或加压。
当气体从床顶部排出时，通过监测气体的氧纯度，从而实现从富氧排放流中选择性地去除产品。根据最低可接收的纯度，可将气体送至氧产品储存罐或从系统中排出。另外，产品和排放分数可通过监测氧产品储存罐中的气体的氧纯度来控制。在空气加料和并流氮吹扫步骤之后，床中的吸附剂和空隙空间充满了产品高品质氮(纯度大于98％，优选大于99.8％，无氧)。逆流放气和抽空步骤(7-10)设计成用于将产品高质量氮收集到可变容积的接收器中。当床的加料端开始出现氧吹扫锋(front)时，停止在步骤10中取出高纯产品氮。这时氮纯度恰巧也下降。
剩下的抽空/吹扫步骤(11和12)设计成用于再生吸附剂。当该床准备用于重复这些吸附步骤时，氮在这些步骤中被进一步解吸并作为废物被排放。
在本发明中这些步骤设计成用于达到较低的N2∶O2产品比率，如低于3∶1。这可通过减少用于共吹扫步骤的时间和增加用于加料空气步骤的时间而实现。共吹扫时间的减少增加了使用加料/共吹扫鼓风机来进行空气加料的那部分时间，进料时间比已有技术增加了约10％。这样可增加氧的产量而不增加设备的规模或成本。
以上方法的优选条件是一种双床VPSA系统，该系统适用于实施在以上部分中详细描述过的并在表1和图2中示出的优选方法。实施例系统由径向流动的吸附床A和B，合适的氧和氮储存容器，用于空气加料和氮共吹扫的分时鼓风机和真空鼓风机组成。氮储存罐可由非刚性材料制造以提供可变的接收罐容积。
在以下描述中，步骤号是指图1中的床A的步骤。床B与床A呈1/2周期的相位差。。例如，床B经历图1的步骤7-12，而床A相应地进行步骤1-6。在上述的和表1中的循环加工序列开始(步骤1)时，床A处于最低的低于大气压的解吸压力下。富氧产品气体用于回填床A。阀V14是打开的，以使气体从氧产品储存罐流入床A的顶部，直至床A达到预定的床压力水平。在该步骤中，无需空气/共吹扫鼓风机。为了避免堵塞空气/共吹扫鼓风机，可打开阀V1和V16以使空气流过鼓风机。
表1
步骤     时间(sec)   起始压力(PSIA)     终止压力(PSIA)
步骤No.1-产品氧加压     4.00   4.7     10.3
步骤No.2-交叠加料吸附/产品氧加压     2.25   10.3     15.8
步骤No.3-提高压力加料吸附     6.80   15.8     21.4
步骤No.4-并流氮吹扫/产品氧制造     5.00   21.4     22.4
步骤No.5-并流氮吹扫/产品氧制造     5.00   22.4     22.4
步骤No.6-氟/吹扫氧排放     0.95   22.4     22.4
步骤No.7-放气/氮产品     4.00   22.4     15.0
步骤No.8-抽空/氮产品     2.25   15.0     12.3
步骤No.9-抽空/氮产品     6.80   12.3     9.9
步骤No.10-抽空/氟产品/氧吹扫     5.00   9.9     7.5
步骤No.11-抽空/氟排放/氧吹扫     5.00   7.5     5.0
步骤No.12-抽空/氟排放/氧吹扫     0.95   5.0     4.7
时间，起始/终止压力，和循环步骤可根据所用的吸附材料而改变。
在步骤2开始时，关闭阀V16，阀V1保持打开，并打开阀V3以使空气加料到床A的底部。阀V14保持打开(从步骤1开始)和氧继续回填至床A的顶部1。加料加压和氧回填交叠继续进行，直至床A达到预定压力。
在步骤3开始时，关闭阀V14以结束回填过程。原料空气继续进入床A的底部直至达到上吸附压力。氮被吸附剂选择性地吸附。此时，床A压力保持恒定在上吸附压力，并打开阀V10，从床A的顶部取出富集氧。也打开阀V13并使富集氧送至氧产品储存罐。
在开始步骤4时，床A加料从空气切换成氮共吹扫气体。关闭阀V1以停止原料空气流动，并打开阀V6以使高纯氮(优选＞99.5％，无氧)从可变容积的氮接收器流出，并经过空气/共吹扫鼓风机和阀V3流入床A的底部。床A中的压力在该步骤中保持几乎恒定。富氧气体继续从床A的顶部取出并送至氧储存罐。这种继续持续到步骤5中。
在步骤6中，共吹扫流持续进入床A的底部，而且氮锋已近乎到达床的端部。从床顶部排出的富氧气体的纯度开始下降。这种纯度下降可通过监测从床顶部排出时的富氧气体的纯度或通过监测氧储存罐中的产品气体的纯度来确定。当O2纯度约为70-75％时，关闭阀V13以停止富集氧流入氧产品罐，并打开阀V12，将床A顶部排出的气体从该系统中排放。该排放步骤使得氮吹扫气体完全清除掉床A中的任何残余氧。
当表1中的共吹扫步骤6在床A中完成时，一半的循环序列已经完成，床A开始减压序列。
在步骤7中，床A通过将高纯氮气放气到可变容积的氮接收器中而被减压。打开阀V2，V7和V8，可使高纯氮气从床A流向可变容积的氮接收器。继续进行放气直至床A中的压力等于环境空气压力。在该步骤中无需真空鼓风机。为了避免真空鼓风机终端不通，允许小部分的泄料气流经过该鼓风机。
在步骤8中，床A经历其部分抽空。关闭阀V7，同时阀V2和V8保持打开，以使产品高品质氮气通过真空鼓风机并进入可变容积的氮接收器。
在步骤9和10中，当气体通过真空鼓风机从床A的底部移出，并被送至可变容积的接收器时，床A继续被抽空。在步骤11开始时，床A排出的气体的氮纯度下降，不再是所需的产品或共吹扫(一般低于99.75％纯度)。这可通过监测从真空泵中排出的气体纯度来确定。在该步骤中，关闭阀V8以停止流入可变容积的接收器，并打开阀V9以将抽空气体从该系统中排出。这步骤持续整个步骤12。另外，在步骤10，11，和12中，打开阀V14以使产品高质量氧吹扫气体从氧储存罐进入床A的顶部。
当表1的抽空步骤12在床A中完成时，循环序列就完成了。注意，阀V15，V11，V5，和V4在床B上分别发挥着与阀V14，V10，V2，和V3在床A上所发挥的相当功能。
通过低氮/氧产品比率方法而实现的改进已通过实验被证明。在该实验中使用的是平均颗粒尺寸为1.4mm的高度交换的LiX(2.0)吸附剂(SiO2/Al2O3＝2.0)。使用本发明的方法步骤的参照性能已被证实，但没有步骤11和12中的氮排放。参照例子的N2∶O2产品比率是2.92∶1。该产品比率刚好低于已有技术方法中的下限比率(3∶1)。另外对改进的循环(具有降低的共吹扫：原料空气比率)也进行了试验。将该试验结果归一化至参照方法，并在表2中进行了比较。
这些结果表明，共吹扫：原料空气比率的下降，导致N2∶O2产品比率(1.97∶1)下降，而氧的产量增加，而没有增大加料设备的规模或吸附剂的量。
表2-中试装置结果
    低产品比率情形 参照例子
归一化结果 氧生产     1.05     1
床尺寸因素     0.98     1
氧回收率     0.99     1
加料吹风机置换     1     1
至床的空气加料     1.06     1
至床的并流吹扫     0.95     1
工艺结果 氧纯度     80.04     79.96
氮纯度     99.85     99.85
产品比率(N2∶O2)     1.97∶1     2.92∶1
共吹扫：加料气体比率     1.04∶1     1.16∶1
对方法效率所实施的改进可通过控制穿透锋(breakthroughfronts)来起作用。在某些共吹扫：原料空气比率下，在吸附步骤中观察到两个独立的浓度锋从床的出料端出现，即氧/空气锋和其之后的空气/氮锋。氧/空气锋表示氧浓度由约85％急剧下降至低于21％的特征。根据共吹扫：原料空气比率，在这两个锋之间产生一个具有空气氧纯度(约21％O2)的恒定氧浓度区域。第二锋(空气/N2)当氧浓度由约21％降至低于1％时从床中冒出。优选的共吹扫：原料空气比率低于约1.15∶1，更优选低于1.05∶1。最佳共吹扫：原料空气比率取决于氧在原料气体中的量。大于21％的氧含量则需要较低的共吹扫：原料空气比率。上述的优选比率1.15是基于含约21％氧的空气原料气。具有恒定纯度的区域被称为″空气平台″。
图3a给出了其中明显没有空气平台的一种状态。这是在共吹扫步骤中，当两个锋在床内相交和合并时而得到的响应情况。该状态与已有技术的穿透传质区的观察结果一致。如果这些锋在床内相交，位于该相交点和床端之间的吸附剂不提供空气分离作用，即当没有空气留在床中时，合并的锋将高纯氮和氧的区域分隔开。这种状态表示相对于床中吸附剂的量来说，将少于最佳量的空气加料到该方法。当锋在如图3b所示的床的出料端附近几乎但不完全相交时，可得到最高的吸附剂生产率。这种状态表示空气平台形成的开始。当共吹扫：原料空气比率的下降或如果床深度对于所提供的加料空气的量而言太短时，该空气平台在时间上延长。在后一情况下，压缩空气被浪费。延长的空气平台在图3c中给出。在本发明中，共吹扫：原料空气比率的下降导致形成延长的空气平台。该空气平台包含在床内。尽管起初被认为是不希望的，但该状态提供了用空气进行附加逆流吹扫的意外有益效果。
在以前的方法中床在氮共吹扫结束时以高纯氮饱和。如希望的那样，随后逆流放气步骤将导致氮被解吸，而且不用共产品氧进行有效吹扫，即因为在床中几乎没有留下任何氧。为了使高纯氮的回收率最大化，氧吹扫被延迟至抽空步骤结束。
本发明的一个实施方案涉及其中无需太高纯度的氮的应用。只要已收集了足够量的高纯氮产品，就允许氧在抽空/吹扫步骤中的前期在床的加料端穿透(break through)。通过减少共吹扫氮以利于增加空气加料，一般优选在共吹扫步骤结束时在床中留下空气平台。这种包含21％氧的空气在放气步骤中对床顶部进行第一次吹扫。该气体在抽空步骤中继续吹扫床的下部。在抽空步骤结束时，与已有技术中的高产品比率方法所得结果相比，床已被更有效地解吸。结果，床的氮工作能力增加使得氧共产品的产量更高。保留在床中的空气平台的量以及所述共吹扫：原料空气比率对于该降低产品比率的方法的总体效率是重要的。
对该新的共产品方法的其它改进可通过使用先进的高性能吸附剂如X型、A型、天然存在的沸石；优选具有平均颗粒尺寸0.5mm-2.0mm的小珠粒吸附剂；使用至少两层具有不同的物理和/或吸附特性的吸附剂；径向流动，轴向流动和/或横向流动床；以及应用更低的压力比循环来实现，以进一步提高效率和降低本发明方法的成本。因为所有的这些改变影响方法中的浓度锋的性质，每种改变通过使用上述的新型方案而实现，其中降低共吹扫：以料空气比率，以达到所需的共产品比率，而同时在床内保留空气平台。
尽管许多种吸附剂材料可用于本发明的实践中，用于采用本发明的PSA方法和系统进行空气分离或其它所需的气体分离操作，已发现特别希望在本发明的特定实施方案的实施中采用锂阳离子形式的沸石X以从空气中回收氮和氧。已发现LiX吸附剂材料对从空气中吸附氮和氧具有突出的能力和选择性。希望用于本发明实施中的LiX吸附剂材料是锂阳离子形式的沸石X，其中骨架SiO2/Al2O3，摩尔比是约2.0-约3.0和其中至少约88％的A1O2-四面体单元与锂阳离子缔合。高度交换的低SiO2/Al2O3，比率的Li X吸附剂具有高工作能力和高工作分离效率。在本发明中使用这些吸附剂可减少床的尺寸系数和电力，并可增加产品回收率和产率。
本发明的所有概念总体上适用于全范围的工艺条件，如温度，压力，压力比，加料速度等。同样地这些概念可适用于按低于大气压(VSA)，跨大气压(VPSA)，或超大气压(PSA)循环操作的单个床以及多床方法。在此描述的概念不限于任何特殊吸附器构造，而且可有效地应用于轴向流动，径向流动，横向流动等的吸附器。
本发明可在吸附剂在主吸附剂区中呈各种配置的情况下实施，如各种类型或相同类型的但具有不同吸附和/或物理特性的吸附剂层和混合物。
也可采用表1中所述方法的变形方案。可避免步骤2中空气加料与氧回填的交叠。在这种非优选的型式中，步骤2将仅包括氧回填步骤，而空气加料在步骤3中开始。该变形方法可导致单位功率增加8％-10％而氧产量下降3％-5％。
步骤10，11，和12中的氧吹扫气可直接由该方法中的另一床的顶部提供而不是由氧产品储存罐提供。本领域技术人员可以认识到，对方法步骤的其它改变可在保持本发明的总体意图和益处的同时而进行。
通过监测轻组分(氧)纯度，也可利用空气平台的概念来精确地控制共吹扫：原料空气比率。空气平台持续时间可用作控制变量，这样在随后循环步骤中，共吹扫气的量可根据需要进行减少或增加，以保持空气平台持续时间在预定范围(设定点)内。
从上可以看出，用于本发明实践中的操作条件是灵活可变的，例如本文公开的通常优选的2床实施方案，可满足用于共生产气体分离操作的要求。因此，可很容易地适应与任何具体的最终应用有关的限制条件，如产品压力，电力消耗，产品纯度等同时使所需共生产氧和氮产品的总体成本最小化。因此在所希望的低的操作和资金成本下，纯氧和氮气可在高回收率水平下方便地生产出来，这源自于与实施本发明有关的相对低压缩比率和设备容量要求。由此PSA领域的一个显著进步通过实施本发明而实现，尤其是从在经济的真空循环操作中，从空气中适宜地生产出较大量的纯氧以及氮的方面而言。
根据以上内容显然可对本发明进行许多修改和变化。因此可以理解，在所附权利要求书的范围内，本发明可按照以上具体描述之外的其它方式而实施。

Claims (10)

1.一种变压吸附/解吸方法，用于从原料气体混合物中共生产易吸附气体组分和难吸附气体组分，该方法包括将原料气加料到包含用于去除非所需组分的吸附剂材料的至少一个吸附床中，随后在该床中进行的吸附、解吸和共吹扫易吸附气体组分的循环序列中，通过保持该工艺中的共吹扫∶原料气体比率低于约1.15∶1，而得到低于约3∶1的易吸附气体组分与难吸附气体组分的产品比率。
2.权利要求1的变压吸附/解吸方法，其中易吸附气体组分是氮，而难吸附气体组分是氧。
3.权利要求1的变压吸附/解吸方法，其中原料气体混合物是空气。
4.权利要求1的变压吸附/解吸方法，其中氮与氧的产品比率是约2∶1。
5.权利要求1的变压吸附/解吸方法，其中共吹扫∶原料气体的比率低于1.05∶1。
6.权利要求1的变压吸附/解吸方法，其中所述吸附剂包含至少一种沸石，选自：X型沸石，A型沸石和包含一价、多价或混合阳离子的天然存在的沸石。
7.权利要求6的变压吸附/解吸方法，其中吸附剂是LiX。
8.权利要求6的变压吸附/解吸方法，其中吸附剂材料的平均颗粒尺寸是约0.5-2.0mm。
9.权利要求8的变压吸附/解吸方法，其中共吹扫∶原料气体的比率低于1.05∶1。
10.一种变压吸附方法，用于共生产易吸附气体组分和难吸附气体组分的系统，其中所述易吸附气体组分与所述难吸附气体组分的产品比率低于约3∶1，该吸附系统具有至少两个吸附床，吸附床包含能够从所述原料气体混合物中选择性地吸附所述易吸附气体组分和所述难吸附气体组分的吸附剂材料，该方法包括将所述原料气体混合物引入床的加料端，将所述易吸附气体组分从所述加料端取出，而将所述难吸附气体组分从床的出料端取出，同时保持共吹扫∶原料气体比率低于约1.15∶1；每个床在交替的基础上进行一个加工循环序列，包括：
(a)将难吸附组分引入床的出料端，以将该床从低于大气压的解吸压力水平部分逆流地再加压至中间压力水平；
(b)使原料气体混合物通入床的加料端，所述床从所述中间压力被并流再加压至上吸附压力，其中所述难吸附气体组分被选择性地从床的出料端取出，一部分所述难吸附气体组分作为产品被取出，剩余部分的所述难吸附气体组分直接通入该系统的另一床中，以用于步骤(a)的所述逆流回填再加压或用于床的吹扫，和/或通入气室以备随后用于这些回填或吹扫步骤；
(c)使易吸附气体组分在所述上吸附压力下通入床的加料端，由此并流吹扫所述床，而共吹扫∶原料气体比率低于约1.15∶1，和所述难吸附气体组分从床的出料端被取出；
(d)通过从床的加料端排出所述易吸附气体组分而逆流解压该床；
(e)通过将所述难吸附气体组分引到床的出料端，并将所述易吸附气体组分从床的加料端排出，而逆流吹扫该床，将所述易吸附气体从系统中取出，排放或储存在气室中以用作方法中的吹扫气体；和
(f)在循环基础上重复步骤(a)-(e)。
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