[发明专利]循环空隙空间气的变压吸附法

说明书

本申请是1993年2月22日申请的美国申请号为08/020,507申请的续申请部分。

本发明涉及吸附分离方法，在该方法中，将待再生吸附区的空隙空间气排出并循环加入到工艺过程中。具体地说，本发明涉及空气的吸附分离方法，在该方法中，氮气是难吸附的气体组分，在初始放压期间，从吸附区内排出的富氮空隙空间气在升压前循环到原料空气中。后来的放压气可以用作吹扫气，以提高加入工艺过程气体的膜富集作用。

为分离包括空气在内的各种各样气体混合物，利用碳分子筛作为吸附剂的吸附分离法是先有技术领域内众所周知的方法。这些分离方法都是以气体混合物的组成和各组分在吸附剂例如碳分子筛上的吸附选择性为基础。

在工业气体的许多应用方面，氮气的利用已经显著增长，特别是在非冷冻气体混合物分离的开发方面。氮气分离的主要领域包括从空气中分离氮气。利用适当的能选择吸附氧气的碳分子筛从空气中除去氮就产生了易吸附的富氧气体组分。当氮气是要求的产品气(通常为高压)时，通过选择吸附氧的碳分子筛吸附剂从空气中吸附氧以产生富含未吸附氮的产品气是所希望的。然后在解吸阶段，通常是在低压下，除去氧。这就导致了在原料空气压力下回收氮气的结果，而氧气是在低于原料空气的压力下回收。因此，在空气的吸附分离方法中，为生产氮气而没有明显的压力损失，希望利用选择吸附氧的碳分子筛吸附剂进行分离。

在利用碳分子筛吸附分离空气方面，在美国专利3801513号中首次公开了一些方法。美国专利4415340号描述了使用碳分子筛的空气分离方法，在该方法中，将从刚刚进行操作的吸附床来的初始产品气循环到原料空气中，向分离设备供给原料空气的泵或升压机的上流。

在上述的专利文献中已经提到的空气分离过程中在氮气中的氧的峰值，在美国专利4256469号中有更详细地描述，当再生过的吸附床返回工艺过程中时，该文献指出利用较慢的最终再升压排除了氧的峰值。

美国专利4264339号也叙述了该氧气的峰值，该文献指出，在空气吸附分离中还进行吸附步骤的吸附床中连续地增加压力。

美国专利4925461号揭示了使用碳分子筛的空气吸附分离方法，在两个吸附床之间进行均压后，允许产品氮气回流入大约要继续返回吸附步骤的吸附床，以便避免氧的峰值。

美国专利4717407号在其几个实施例之一中描述进行气体分离例如吸附分离的另一种形式，即膜分离，但是，对吸附装置中的进一步分离来说，膜透过物是不希望的组分，而截留物是首先要求的组分物流。

美国专利4765804号公开了吸附分离的放压气可以与膜接触，将透过的所要求的组分作为原料循环到吸附分离过程中。

对吸附分离有一般意义的其它专利文献包括：美国专利3738 087、4348213和4853004。

现有技术通常都依赖于缓慢的再升压、均压和放压气渗透循环步骤，以得到空气的吸附分离过程中能量效率和高的回收率。而且，通过慢的再升压、吸附床之间的产品端与产品端的均压和有氧峰值的初始产生的氮气产品的循环试图得到高纯度的氮气产品。但是，现有技术并没有解决实现高效率、高回收率和高氮气纯度同时避免由节能的均压而产生的吸附剂材料的流化和尘化的问题。这些问题已被本发明克服，下文将更详细地描述。

本发明是在至少两个并联的吸附剂区中，将合至少氧气和氮气的原料气分离成易吸附的氧气和难吸附的氮的变压吸附方法，每个区进行与另一个区异相的一系列步骤，该方法包括：

(a)在高压下使原料气与一个区的选择吸附氧的碳分子筛吸附剂相接触，氧被吸附，氮气作为产品通过该区；

(b)该区进行初步逆流放压，将空隙空间气作为放压气排出，并将放压气循环到位于中间压力的贮存容器，然后与原料气混合；

(c)将原料气和放压气加压到步骤(a)的高压；

(d)通过排气以再生吸附剂来使该区进一步放压到最低的压力；和

(e)用原料气和氮气使该区再升压到步骤(a)的高压。

优选，高压为约551.2～930.15 KPa(80-135磅/英寸²)[表压]。

优选，贮存容器的压力为约1/4-1/2上述高压。

优选，生产的氮气产品的纯度为至少97％。

优选，该区进一步放压直到该区的放压气中的氧含量为约21％止。

优选，在(d)步骤中，该区以与原料气流到该区方向成逆流的方向进一步放压。

优选，在步骤(d)中，该区进一步放压到环境压力。

供选择地，在步骤(d)中，通过在该区的加料端施加真空使该区进一步放压到低于环境的压力。