[发明专利]变压吸附装置

说明书

技术领域

本发明涉及变压吸附装置，并且具体而不排他地涉及用于生成氮气的多柱变压吸附系统。

背景技术

从压缩空气源生产氮气是众所周知的。使用选定的碳分子筛(CMS)并利用变压吸附(PSA)技术，使得不同纯度的氮供给能够由用户就地完成。

压缩空气供给的纯度是一个重要的考量，因为如果未经处理提高其纯度，其并不适合被使用。压缩空气包含多种污染物，诸如必须在使用前被去除的水、油和微粒。处理压缩空气通常涉及过滤、除去油/水气雾和灰尘、干燥去除水蒸气。压缩空气的纯度会影响PSA制氮机的运行。

参照图1，双塔干燥器PSA制氮机的运行方式为，在供给空气(通常为7-10巴)向上流动通过填充的CMS床(柱A)时，通过分子吸附将供给空气中的氧气转移到填充的颗粒型CMS床。柱B(之前已被使用)被减压，氧气由于所述CMS床内的气体的膨胀而从CMS释放出。来自柱A的出口的干燥纯净气体穿过控制口，膨胀至接近大气压力，朝相反流向向下流过柱B以吹扫浓缩氧气床。该运行循环的目的是使氮气输出流具有合适的输出纯度。当柱A中的CMS的氧气达到饱和(通常由简单的定时控制器来确定)时，供给空气在加压后返回至柱B，该循环继续产生氮气流(去氧空气)。

快速气体(即容易被吸附的气体，比如水蒸气和二氧化碳)与氧气一起分散至CMS的多孔结构内。气流的水蒸气含量很关键，其存在将会影响制氮工艺的效率(见文献US4,439,213)。现已认识到，入口压缩空气的处理因此是一个重要的考量。

PSA制氮机的提供商推荐了不同的干燥等级。通常而言，压缩空气越干，其对CMS越有益。

干燥剂式干燥器更受喜欢的原因是，所产生的残余水蒸气含量很低，从而可获得最佳的制氮机效率。然而，其要求再生空气(在净化循环过程中)通常要占到入口空气的20％，这导致需要更大的压缩机，进而增加了资本和运行费用。一些供应商因此使用冷冻式干燥机，但是限制其对制氮机的保证。通常认为，对于高氮气纯度(10-500ppm的氧气)，高纯度的入口空气是十分重要的。

在一些小的系统(比如输送量为5升/分钟)中，通常的做法是将干燥剂式干燥段(stage)集成至吸附床，并利用制氮机来进行再生净化。然而，设计人员必须意识到这样的方法的局限性。

颗粒状干燥吸附剂被广泛地使用于从多种气体(包括压缩气体)中去除多种污染物(例如水蒸气)，但是，吸附剂具有其局限性。所述技术的特征很明确，它们的用途局限于特定的场合。这些局限包括方位、振动、高压损失、磨损、沟流、旁路、再生能量高(净化)、对大体积的水和气雾的抵抗性差。

干燥剂珠粒不规则的大小和形状因为床体填充不够而会导致磨损和沟流。吸附剂珠粒的粉状外观表示灰尘很容易在使用时被散开，污染出口空气流，从而危害下流装置。珠粒的通常预期生命为12000小时(还不到18个月的连续使用)。

在接触到大体积的水时，水滴经过过滤器并进入干燥剂床体，该情况很常见并且会导致干燥剂珠粒的分解。该分解的原因比如是粘土结合料(膨润土)容易分解并冲走。该情况产生的原因是冷凝水没有在干燥机之前被充分除去。

一旦发生所述接触，整个吸附床体需要被替换。所产生的灰尘朝下流冲过，带来潜在的后果。

通常情况下，由于上述局限性，干燥剂材料每连续使用18个月就必须被换掉。这使得成本很高，还会中断制氮系统的运行。当前仍未看到可行的对策，因为想要进入干燥剂干燥段，需要去除CMS(通常为床体体积的90％)。

在小的系统中，比如饮料分装机(输送量大约为5升/分钟)，干燥剂的寿命与压缩机适配，通常具有小于或等于10000小时的寿命而且不连续工作。具有集成的颗粒吸收剂段的单柱PSA模块的寿命与其压缩机适配。

对于需要连续工作的更大的系统，这并不是一个可行的方案。CMS在高标准的入口空气纯度时具有10年的预期寿命，其通常不被认为是常规维护(替换)的对象。所以，在这样的情况下，珠粒状的干燥剂材料的服务寿命与CMS的寿命或所使用的压缩机的工业等级不配合。如果空气处理系统发生故障，大体积的水接触干燥剂材料，其将受到损害并需要被替换，这对使用者而言是不可接受的情景。

本发明的优选实施例力图克服现有技术的上述缺陷。

发明内容