[发明专利]大容量的真空压力摆动吸附方法和系统

说明书

本发明涉及生产氧气的真空压力摆动吸附方法和系统。特别地，它涉及适用于从空气中大规模生产氧气的方法和系统。

在许多的化学处理、精炼、金属生产和其他工业应用中，净化的气流被用于多种工艺目的。例如，在化学处理、轧钢、造纸和在铅和气体生产作业中使用高纯度的氧气。典型地通过低温蒸馏从空气中生产氧气和氮气以便大量应用。而这种低温处理特别是在大型工厂中时进行可能是非常有效的，然而它需要复杂和昂贵的设备。

虽然已经使用了压力摆动吸附(PSA)方法来分离和净化气体，但是使用PSA方法生产氧气通常局限于相对的小型作业上，在此方面使用低温分离在经济上是不行的。许多常用的吸附剂，特别是作为分子筛的已知一类材料，能比起氧气强有力地选择吸附氮气，而且这些优先吸附是各种PSA方法的基础，该方法已经发展用于分离空气生产氧气和氮气气体产品。

分离空气来生产氧气产品的PSA方法在现有技术中是已知的，如由Skarstrom专利US2944627所示。这种方法一般包括在复式床PSA系统的每个床上依次进行四个独立操作步骤。这些步骤是(1)吸附，其中在吸附压力上限下将所供空气送到该床的进气端，该床包含有能够选择吸附作为更容易吸附的空气组分的氮气的吸附剂材料，而不容易吸附的氧气从该床产出气端回收；(2)在吸附压力下限下逆流减压；(3)较容易吸附的氮气从吸附床上解除吸附，并从有或无净化气体引入装置的床的进气端排到该床的出气端；和(4)该床重新加压到吸附压力上限。当在PSA系统中进行连续的氧气生产作业时，在有附加数量的所供空气的系统的每个床上重复这种工艺顺序，或变化其顺序。

当使用PSA方法主要用来除去在气流中以低含量存在的强力吸附的杂质，即在空气中的CO₂和/或H₂O时，吸附(1)和解吸(3)的恒压步骤占大部分工艺循环时间，并且变压步骤，即逆流减压(2)和重新加压(4)是过渡的。在从空气中生产氧气中，较容易吸附的氮气包括79％的进气料，变压步骤对有效处理的整个工艺过程具有较大的意义。人们已经对基本的PSA处理顺序作了许多不同的改进，包括压力摆动步骤的许多变化。

在复式床系统上使用了从空气中生产氧气的许多PSA过程，如装有两个或多个吸附床的系统，每个床进行相同顺序的步骤，但是与系统中的其他床有不同的相联系。处理步骤是同时发生且通常进行固定的时间。按照这种方式操作，氧气产品的供应能够更稳定地进行，而且比起别的情况机械泵的使用更趋向稳定。许多PSA方法也使用一个或多个压力均化步骤，其中在高压下从一个床排出的气体被送到开始低压的另一个床上，直到所说的床的压力相等。如果通过该床出气端完成均化，并且提高所希望的氧气产品的整个回收率，那么这个方法具有节省一些压缩能量、提供等量净化空气的优点。

从空气中生产氧气的一种特殊PSA方法利用一个三床系统而且引进下面工艺步骤：(1)随着所供空气的引入、床的加压和氧气产品的同时回收而进行的吸附；(2)用于进一步的产品回收的顺流减压；(3)压力均化；(4)逆流减压；(5)净化和(6)重新加压。这个方法是在50磅/平方英寸的典型的吸附压力上限和一个大气压的解吸压力下限下操作。而这个处理系统和工艺能够有效地从空气中回收氧气，在大量工业作业中使用不是足够有效的。因为需要相对高的压缩比，所以这个系统的操作成本高。对于所给的产品流速，这个系统所需要的吸附剂投料量也相对高。

PSA方法也已发展了在大气吸附压力和相对低的真空解吸压力之间的操作。因为氮气的吸附储量决定了压力，这样的方法和系统，即真空压力摆动吸附(VPSA)方法和系统，需要一个大的吸附存量，这大大增加了与之有关的成本。

人们也发现通过使用部分压力均化步骤代替在PSA技术中通常本质上全压的均化(其中吸附剂选择吸附空气中的氮气)从而可以改进这个方法。在该技术中已经提出了对基本PSA方法的各种其他改进，其大部分与在加压和减压步骤中的变化有关。例如在AICHE J198935523中，Suh和Hankat已经报道过在PSA工艺中使用联合的顺流一逆流减压步骤的优点。为了从空气中生产氧气，他们报道了增加同时顺流减压步骤是无益的发现。它们的两床循环利用了回填重新加压步骤，其中高压床的出气端连接到低压床的出气端，气体从一个床到另一个床的通道是连续的直到低压床达到高压。