[发明专利]多循环常温空气分离系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于混合气体分离技术领域，涉及一种通过非深冷法分离工艺来实现原料气体混合物之间分离的系统和方法，特别涉及一种采用多循环分离体系从含有多种气体组分的混合物中回收其中至少一种以上的产品气体的系统和方法。

背景技术

目前，低温精馏工艺技术无疑是工业上空气分离市场的主流技术，在大规模空气分离领域，具有较低的分离运行成本以及较高的产品气纯度，而且，该技术更重要的特征是该方法可以同时兼顾氧气产品与氮气产品甚至氩气产品，形成一种装置多种产品的生产能力。但是，对于中小型化的空气分离、移动式装备等特定环境的现场供气，这种产量要求不大，采用PSA方法或膜分离方法因更具有灵活性、方便性、投资少、能耗低、自动化程度高、操作简单等优点，是低温深冷工艺的重要补充。但美中不足的是，采用PSA或膜分离技术进行空气分离受制于分离材料的限制，如吸附剂的选择性不高、膜分离材料的分离系数不高等，难以同时获得两种高纯度的产品气体。

众所周知，基于动力学分离机理的变压吸附从空气中提取氮气的方法可连续生产高浓度氮气，但是，上述从吸附床层中排除的废气往往是低纯度的富氧气体，典型的，提取95％氮气的同时，从废气侧排除的富氧气体纯度约33～36％，提取99.9％氮气的同时，从废气侧排除的富氧气体纯度约28～32％，假设提取纯度99.99％的氮气，则废气富氧纯度更低，约为24～26％。从单一PSA制氮过程来说，提取的产物氮气纯度越高，废气侧排除的富氧气体纯度则越低，理论上，即使不管氮气产物流的纯度，采用这种基于动力学分离机制的以碳分子筛为吸附剂的变压吸附装置也难以制取纯度高于80％的富氧气体，因此，富氧排放侧纯度范围23％～40％的气体因为品质低，难以得到更大的工业化使用。

同样的，还有一种采用沸石(比如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂，称为ZMS)这种氮吸附剂基于平衡吸附机理的变压吸附制氧从空气中连续提取氧气的方法，它可以自空气中获得88～95.7％的氧气产品，采用改性的具有氧氩分离特性的X型沸石或者采用具有至少两个传质区的多段PSA也能获得纯度高达99.9％的氧气产品。典型的，在变压吸附制氧获得88～95.7％的氧气产品的同时，其废气排放侧的富氮纯度则非常低下，大约在88％～95％之间，这种低纯度气体使得该产品的应用受到限制。

膜分离技术是20世纪中期发展起来的一种高新技术，随着膜分离材料的研究开发以及流程工艺的突破，迄今为止，有代表性的能应用于空气分离的有机膜分离材料其氧氮分离的α值大都在2～7之间，可以直接自空气中获得大约60％以下纯度的氧气，采用多级膜分离过程的系统可以获得纯度大于90％的氧气，对膜分离制氮，单级膜分离过程采用氧氮分离的α值在7左右的膜分离材料可直接自空气中获得大约99.95％以下纯度的氮气。与上述描述的变压吸附技术一样，受制于现有分离材料的分离性能，采用这种技术难以同时获得高纯度的气体。

变压吸附技术与膜分离技术各有千秋，典型的膜分离过程可将混合气流分成两个甚至多个物料流，简单地实现了多组分气体之间的多种产品气同时回收，但是应用于空气组分膜分离过程的膜分离材料因氧氮分离系数不高，对待分离组分氧与氮之间的选择性较小，因此，一般应用于获取纯度40％左右的富氧气或99.5％以下的较低纯度氮气，超过此纯度目标的膜空气分离与变压吸附技术相比较，因能源消耗较大、造价相对高昂而未能取得很好的性价比。变压吸附技术在提纯高纯度产物流的同时其废气侧难以获得较高纯度的产物流。

为了获得一种替代低温深冷工艺的多产品现场供气方法，众多大学院校、研究单位、企业单位提出了不少方法，美国专利US772867描述了一种提纯双产物的变压吸附与膜分离技术耦合的分离系统，在其中一个实施例中采用了以氮气吸附剂的变压吸附制氧系统，本来该系统通常可以提纯88～95.7％纯度的富氧气体，为了能有效的利用废气，提高废气的纯度，耦合了一个膜分离系统在适当步骤捕集较高纯度的氮气以及废气排放的动能，以实现双产物的回收，但是，这种方法能够实现的产品组分纯度并不高，按照实施例描述的方法，其氧气产品局限于88～95.7％，氮气则局限于95％以下，显然，其应用受到限制；

美国专利US772866还描述了一种自PSA系统通过捕集废气流实现双产物回收的变压吸附分离系统，同上述系统一样，这种方法能够实现的产品组分纯度并不高，按照实施例描述的方法，其氧气产品局限于88～95.7％，氮气则局限于95％～99.9％以下，显然，其应用也受到限制；