[发明专利]气体分离方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用压力回转吸附法(PSA法)的改进的气体分离方法及其装置，该方法从混合气体中分离出难吸附气体产品。更详细地说，涉及以空气为原料吸附除去氮气、二氧化碳、湿气(水分)等，分离和纯化氧气的改进PSA法及其装置。得到的氧气可利用在炼钢、纸浆漂白、废水处理、助燃气等方面。

背景技术

使用压力回转吸附法(PSA法)，从由易吸附气体和难吸附气体构成的混合气体中分离出难吸附气体产品的气体分离方法，很久以来就广泛被人们所知，使用这种方法可以分离精制多种气体。

可是，用PSA法分离含有水分的原料气体时，水分容易吸附在吸附剂上并且难以解吸，所以吸附剂的有效吸附容量下降，如果在这种状态下连续使用时，吸附剂会变坏，气体分离能力下降。为此，将脱湿剂与吸附剂叠层进行使用，在向吸附剂床供给原料气之前，通过脱湿剂床除去水分。但是，最近成为问题的是在这种脱湿剂床和吸附剂床并用的PSA装置中，由于吸附剂床上产生的温度分配，使得气体的分离能力下降。

以下，对于在填充了以氧化铝为主成分的脱湿剂的脱显床上部，叠层填充了沸石分子筛的吸附剂床吸附塔的PSA装置中，导入原料气体空气，吸附除去氮气，得到产品氧气的实施例为例进行说明。

此时，在吸附工艺中，沸石分子筛的细孔内优先地吸附氮气，每1升吸附气体约产生0.2Kcal吸附热，吸附剂床的温度上升。产生的热随着气流流动到吸附剂床的出口侧，其中一部分随着产品气体排出塔外。因此吸附剂床的各部分温度不一样，造成吸附剂床的下部温度比上部温度低。

接着，在吸附工艺中为了再生吸附剂，用比吸附时低的压力减压吸附塔来解吸氮气，此时，由于吸热现象，吸附剂床的各部分温度都一样地下降。吸附时的总发热量和解吸时的总吸收量是相等的，但是由于吸附时发出热量的一部分随着产品气体一部分排出塔外，所以作为吸附塔内的热平衡只是相应部分吸热量上升，塔的温度慢慢下降。可是另一方面由于来自塔壁传热引起的热侵入以及吸附剂床的温度下降，解吸量也减少，使得吸附塔的温度逐渐趋于恒定值。

这样一来，在吸附剂床上形成了一个温度梯度，即产生了热区、冷区。例如原料空气以35℃左右供给吸附塔时，当平衡时，吸附床上部产生35℃的热区，吸附床下部产生-10℃的冷区，吸附剂床下部的温度低到如此低程度时，就会引起装置的气体分离能力下降。

特别是，沸石分子筛可以发挥优良性能的温度范围取决于分子筛的类型，通常在10℃～60℃的范围分离效率最高。因此，如上所述，在30℃的热区时，气体的分离效率提高，但是在-10℃以下的冷区时虽然气体本身的吸收能力提高，但是解吸困难，所以易吸附性气体氮气积蓄在吸附剂细孔内使有效的吸附容量下降，在其影响下装置的氮气和氧气的分离效率下降。

这种温度梯度的大小受到被吸附的氮气量、吸附塔尺寸的影响，例如使用吸附剂的吸附能越大、或者吸附塔越大，温度梯度就越强。因此，随着近年来装置的在大型化、吸附剂的高性能化，以往存在的上述问题更加趋于明显化。

为了解决这些问题，曾经提出了几种使吸附剂床的原料气体流入部产生的冷区温度上升的方法，例如可以举出以下的方法。

(1)在吸附塔内上部叠层吸附剂、下部叠层脱湿剂，在吸附剂的上部热区和下部的冷区上分别插入热电偶，通过将它们串联起来利用温度差产生的热电动势，在脱湿剂床入口部设置的电热加热器加热混合气体的方法(特开平4-322714号公报)。

(2)用金属板在吸附塔轴方向将吸附剂床分隔开，通过热传导将吸附剂床出口部的热转移到下方(原料器入口侧)的方法。

(3)利用加热泵在与吸附塔间进行热交换的方法。

可是，上述任何一种方法都不能得到充分的效果，达不到实用化阶段。

所以，一般都是采用热交换器和电热加热器等的热源强制加热导入脱湿剂床的混合气体的方法。可是这种方法，在吸附工序中被加热了的混合气体在进行吸附剂床的低温部之前，由于通过了冷的脱湿剂床而被冷却，使得该低温部不能充分升温。进而，由于是被加热了的混合气体使脱湿剂的温度也同时上升，这样就会影响原来的吸湿效果，极端的情况时，原料气体中的湿气在吸湿剂床中不能充分被吸附就进入上部的吸附剂床，使得吸附剂的气体分离能力下降。另外，在解吸工序中，加热下进行再生的脱湿剂床上由于解吸时的吸热，导入温度下降的气体而被冷却，所以再生效率也不好。

发明的公开

本发明的目的在于使吸附剂床下部形成的冷区的温度升高的同时，高度保持解吸时的脱湿剂床的温度、提供可以提高气体的分离效率和脱湿剂的再生效率的气体分离方法。