[发明专利]一种能提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法

说明书

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种两级串联变压吸附制氧系统及其操作方法。

背景技术

变压吸附(PSA)是一种重要的、具有广泛应用的气体分离方法，变压吸附制氧方法是低温深冷制氧工艺的重要补充，用于由空气流生产氧气的传统PSA法通常采用如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂基于平衡吸附理论制氧，因这些吸附材料对氮气的吸附能力比氧气强，也即选择性，通常选择性达到3以上即可实现能效比不错的工业制氧，改良的合成沸石氧氮的选择性可以高达10，而且还在不断的突破，这样的选择性结合合理的分离流程甚至可以实质上做到氮气和氧气间的完全分离，但是，针对空气组分中的氩气，因氧气和氩气在这些吸附材料上的吸附等温线几乎相同，常规的这些合成沸石对原料空气中的氧气与氩气基本无选择性，即使假定所有氮气均被沸石吸附，富氧产品气流中也因含有约5%的氩气，从而使得采用常规的这种吸附氮气的基于平衡吸附理论基础PSA法一般不能产生氧气浓度大于95%的产品气，一般分离仅限制于88～95.7%的氧气产品，这就大大限制了需要纯度更高的诸如切割、医疗等氧气应用（需要大于97%以上的氧气，甚至需要99.5%以上的高纯度气体）。

因此，基于吸附方法来获得更高的氧气纯度，人们不得不采用更为复杂的多级变压吸附系统，国内专利CN1226142A就揭示了一种采用多级变压吸附获得了纯度98.4%的变压吸附方法，以沸石氮吸附剂祛除大量的氮气，以基于动力学分离特性的碳分子筛实现氧氩的分离，两级吸附系统采用了不同传质机理，其前级采用了基于平衡吸附传质机理的吸附系统，后级采用了基于动力学分离机理的吸附系统，尽管以单一动力设备实现了分离过程，但显然其15%的氧气回收率大大限制了其应用。

多级变压吸附在国外有代表性的分离方法主要以US4190424、US4959483、US4913339、US5395427、US5137549、US4190424、US4959083、US5226933和US5470378为代表，现有的这些技术的多级PSA系统采用了至少两级PSA，有的采用了氮吸附剂首先由进料空气流产生含氧浓度大于95.0%的产品气，再以碳分子筛组成的第二吸附床层分离其中的氩气，有的先采用基于动力学分离原理的碳分子筛获得贫氩富氧气体再以采用基于平衡吸附理论的氮吸附剂继续富集以生产高纯度氧气，但在其采用的各种方法中，即在两段或者多段式PSA法中至少有两个不同的传质区，更典型的特征是至少在其中的一个传质区采用了动力学分离原理的碳分子筛来实现氧与氩的分离，其系统循环复杂、采用了大量的缓冲罐、动力设备为获得更高的氧气产品进行必要的清洗、置换或排代步骤，能源消耗巨大、造价高昂。

中国专利CN201930684U揭示了一种氧氩混合气非深冷变压吸附分离装置，采用两个相同并均基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，实现了氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统的氧气回收率为50%，则该串联的两级变压吸附系统总的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。

中国专利CN101733070A揭示了一种氧氮氩混合气的分离流程，采用两个相同的基于平衡吸附传质机理的串联吸附系统构建了一种分离流程，可实现氧氮氩分离，但是，因其流程构建的不足，导致其后级氧氩分离系统的氧气回收率仍然局限于50%以下，如前级变压吸附制取93%纯度氧气的氧氮分离系统回收率为50%，则系统总体的氧气回收率局限于25%以下，应用受到一定程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对前述现有技术的不足而提供一种可提高氧气回收率的基于平衡吸附传质机理的两级串联变压吸附制氧系统，并提供该系统的控制操作方法。

本发明提出的可提高氧气回收率的两级串联变压吸附制氧系统，如图1所示，其中，第一级PSA为装有常规沸石等氮吸附剂的基于平衡吸附机理的氧氮分离变压吸附分离系统，第二级PSA为装有氧选择性等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；本发明是对现有两级串联变压吸附制氧系统的改进，即在第一级PSA与第二级PSA之间设置了一套贫氧气回收回路，用于将第二级PSA产出的富含氩气的贫氧废气返回至第一级PSA，作为预充压气体及清洗气体，最终自第一级PSA的排气口排出系统。本发明按照规定工步（步骤，也称为时序）运行，可显著提高氧气回收率，因而也提高了总的氧气回收率。